Kurzbeschreibung

Das umweltfreundlichere Fliegen spielt zunehmend eine größere Rolle in der Öffentlichkeit und ist Teil der Forschung weltweit. Durch die Flightpath 2050-Ziele existiert ein konkretes Bestreben die Umwelteinflüsse durch die Luftfahrt zu verringern. Die Brennstoffzelle gilt in diesem Kontext als ein aussichtreiches Konzept für die Zukunft.

Im Rahmen der Doktorarbeit wurde das Potential eines Brennstoffzellen-Hybrid-Antriebs für die Luftfahrt untersucht. Dabei wurden multidisziplinär verschiedene Hybridisierungsgrade und Flugmissionen untersucht und bewertet. Ziel war zu identifizieren, für welchen Einsatzbereich und für welche Flugzeugklasse ein Brennstoffzellenantrieb sinnvoll ist.

Projektziele

• Bestimmung des Potenzials eines Brennstoffzellen-(Hybrid)-Antriebs für die Luftfahrt
• Untersuchung der gegenseitigen Einflüsse auf die Auslegung des Brennstoffzellen-(Hybrid)-Antriebs und des Flugzeuges
• Identifizierung des optimalen Einsatzbereiches für einen Brennstoffzellenantrieb in der Luftfahrt

Projektpartner: MTU Aero Engines

Bearbeiter: Jonas Schroeter

Kurzbeschreibung

In diesem Projekt wurde das neue Konzept der sogenannten „Hybridschaufeln“ entwickelt und numerisch getestet. Die Hybridschaufeln sollten im Bereich hochbelasteter axialer Verdichterstufen zum Einsatz kommen, indenen konventionelle Schaufelgeometrien keinen effizienten Druckaufbau mehr gewährleisten können. Das Konzept der Hybridschaufel ist eine Weiterentwicklung der Tandemschaufel, welches die Schwachstellen der verlustbehafteten Endwandströmung von Tandems entfernt. Die Hybridschaufel werden sowohl als Statoren wie auch als Rotoren in den Niedergeschwindigkeits-Axialverdichter „FRANCC“ des Lehrstuhls eingesetzt und numerisch getestet.

Projektziele

• Entwicklung einer voll-automatischen Prozesskette für den Entwurf von Hybridschaufeln.
• 3D-Optimierung von Hybridschaufeln mit dem Ziel der effizienten Erweiterung des Betriebsbereichs des Axialverdichters.
• Gewinn an neunen Erkenntnissen über die Sekundäreffekte der Strömung innerhalb der Verdichterstufe unter Verwendung verschiedener Hybridrotoren und Hybridstatoren.
• Ableitung von Designrichtlinien für Hybridschaufeln.

Projektpartner: Keine

Bearbeiter: Jannik Eckel

Kurzbeschreibung

Die Entwicklung eines Flugtriebwerks ist ein komplexer und interdisziplinärer Prozess. Die Notwendigkeit schneller und präziserer Vorhersagen führt dazu, dass bereits in der Vorentwurfsphase eine Vielzahl von Abhängigkeiten berücksichtigt werden muss. Mithilfe von vereinfachten und verallgemeinerten physikalischen Gesetze kann eine Methode entwickelt werden, welche den gewünschten Detaillierungsgrad in der Auslegung der Vorentwurfsphase erreicht. Die mechanische Auslegung ist ein wichtiger Schritt des Prozesses und liefert ein erstes Komponentendesign-Layout auf der Grundlage von parametrischer Studien. Weitere Disziplinen können die Ergebnisse mit einer Bewertung der strukturellen Festigkeit, einer komponentenbasierten Gewichtsschätzung und einer ersten Bewertung der Lebensdauer der Komponente ergänzen. Der große Vorteil dieser Methoden ist die Flexibilität, sodass neue Konzepte unabhängig von den wissensbasierten Entwürfen leichter entwickelt werden können. Dieses Projekt konzentrierte sich hierbei auf die Axialkompressoren und ihre gegenseitigen Abhängigkeiten. Im Rahmen dieses Projekts wurde für jede Hauptkomponente des Verdichters (Laufschaufeln, Leitschaufeln, Scheiben, Gehäuse) Methoden zur Parametrisierung der Topologie entwickelt und strukturelle Aspekte wie Spannungen, mechanische und fertigungstechnische Grenzen, Ermüdung bei low und high Zyklen, Kriechen, Scheibenbersten und Eindämmung des Gehäuses entwickelt.

Projektziele

• Entwicklung mutlidisziplinärer mechanischer Konstruktionsmethoden für Axialkompressoren
• Untersuchung der Auswirkung mechanischer Vorentwurfsmethoden während der Vorentwurfsphase

Projektparner: MTU Aero Engines AG

Bearbeiter: Ioannis Zaimis

Kurzbeschreibung

In Zeiten stark schwankender Einspeisung erneuerbaren Stroms in das elektrische Netz wächst der  Bedarf an kurzfristig verfügbarer Regelenergie, weshalb der Einsatz agiler Gasturbinenanlagen an Bedeutung gewinnt. Um eine schnelle Zuschaltung der Anlage zu erreichen, muss diese auf aerodynamischer Teillast gehalten werden, was mit einer Verringerung der Prozesstemperaturen, -drücke und geometrischen Anpassungen korreliert (z.B. Leitschaufelverstellung). Die gegenüber dem Aerodynamic Design Point (ADP) veränderten Bedingungen führen zur Ausprägung sog. „Realgeometrieeffekte“ im Ringkanal (Spalte, Stufen, Kanten, Schaufelfehlstellung). Die qualitative und quantitative Beurteilung dieser Phänomene und ihr Einfluss auf die Anlagenperformance ist Gegenstand aktueller Forschung.

Projektziel

• Identifikation maßgebender aerodynamischer Störmechanismen auf die Performance eines hochbelasteten Axialverdichters
• Sensitivitätsuntersuchung und Potenzialanalyse desensitiverender Maßnahmen für einen robusteren Verdichterentwurf

Projektpartner: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz, Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG

Bearbeiter: Jannik Petermann

Kurzbeschreibung

Um die Umweltauswirkungen zu verringern und die Gesamteffizienz eines Flugzeugtriebwerks zu verbessern, muss der thermische Wirkungsgrad erhöht werden. Das von SAFRAN Aircraft Engines im Rahmen von CS2 untersuchte Konzept des Getriebefans zielt darauf ab, eine Triebwerksarchitektur und einen Bodentest-Demonstrator mit extrem hohem Wirkungsgrad zu entwickeln, bei dem eine Erhöhung des Kerntriebwerksdruckverhältnisses den thermischen Wirkungsgrad des Triebwerks verbessert. Eine weitere Erhöhung des Druckverhältnisses im Kerntriebwerk führt jedoch zwangsläufig zu einer Verkleinerung der Größe und des Querschnitts des Kerntriebwerks, was neue Herausforderungen für das HPC-Design mit sich bringt, insbesondere für die hinteren Verdichterstufen. Da die Abstände zwischen den Rotorspitzen und den Stator-Dichtungen absolut begrenzt sind, um Reibungen zu vermeiden, führt eine Verringerung der Schaufelhöhe zu größeren relativen Schaufelabständen, die zu verstärkten sekundären Strömungsphänomenen führen, einschließlich stärkerer Wirbel an den Schaufelspitzen (vgl. Abbildung 2), Leckströmungen an der Ummantelung und einem verstärkten Grenzschichtwachstum in den Endwandbereichen.

Diese nachteiligen aerodynamischen Effekte beeinträchtigen das Betriebsverhalten (Überziehspanne) und die aerodynamische Leistung (Effizienz). Um die nachteiligen Auswirkungen ausgeprägter Leckströmungen an der Rotorspitze zu überwinden, werden üblicherweise Gehäusebehandlungen (CT) durchgeführt. Es ist zwar bekannt, dass CTs die Strömung im Rotorspitzenbereich verstärken, sie führen jedoch in der Regel zu einer radialen Neuausrichtung der Strömung und schwächen die stromabwärts gerichtete Verdichterströmung in niedrigeren Spannweitenhöhen. Dieses Phänomen wird in den kompakten hinteren Stufen zukünftiger HPCs mit hohem Druckverhältnis und kleinen Schaufelhöhen besonders ausgeprägt sein und erhöht das Risiko eines vorzeitigen Abwürgens des Verdichters aufgrund der schwächeren Strömung im unteren Spannweitenbereich erheblich. Um diesen aerodynamischen Herausforderungen zu begegnen, erforscht General Electric Deutschland (GEDE) im Rahmen des Gemeinsamen Unternehmens CS2 innovative HPC-Technologien einschließlich eines fortschrittlichen 3D-Schaufeldesigns für HPC-Hinterstufen. 

Projektziele

• Die Entwicklung von Technologien zur Behandlung der Verdichterströmung, die die Strömung über die gesamte Spannweite verstärken, die Stabilität in einer mehrstufigen Verdichterumgebung verbessern und das Potenzial der CT-Technologie maximieren.
• Die Bereitstellung eines Verdichterprüfstandes, der eine Validierung der von GEDE und TUM-LTF entwickelten HPC-Hinterstufentechnologien ermöglicht, einschließlich einer detaillierten Quantifizierung der HPC-Leistung und -Betriebsfähigkeit unter repräsentativen Triebwerksbedingungen.
• Die Entwicklung und Anwendung fortschrittlicher instationärer Druck- und Temperaturmessungen, die eine zeitgenaue Entropieabschätzung ermöglichen und somit ein detailliertes Verständnis der Strömungsphysik und der aerodynamischen Verlustmechanismen innerhalb des entwickelten HPC-Hinterstufenkonzepts ermöglichen.

Projektpartner: GE

Bearbeiter: Christian Köhler, Christian Schäffer