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Untersuchung der Einflüsse von geometrisch variablen Komponenten in Fluggasturbinen und ihr Potenzial zur gezielten Verbesserung des Kreisprozesses

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Abstract

Die Anforderungen an zukünftige Fluggasturbinen nehmen stetig zu, insbesondere hinsichtlich Treibstoffverbrauch, Leistungsdichte, Betriebssicherheit und Umweltverträglichkeit. Da Flugtriebwerke in einem breiten Betriebsbereich von unterschiedlichen Flughöhen, Flugmachzahlen und Leistungseinstellungen betrieben werden, ist ein der effiziente Betrieb der Maschine über einen sehr weiten Arbeitsbereich ein wichtiges Entwicklungskriterium. Hierfür spielt das Verhalten des Triebwerks außerhalb des Auslegungszustands, im sogenannten Off-Design eine wichtige Rolle. In der vorliegenden Arbeit wird das Potenzial von mehreren geometrisch variablen Triebwerkskomponenten zur gezielten Beeinflussung des Kreisprozesses ermittelt. Hierzu werden diese Variabilitäten thermodynamisch für die Leistungssynthese modelliert und die Einflüsse auf den Kreisprozess analysiert. Die Methodik wird angewandt, um erstmalig systematisch das Potenzial von „Variable Cycle Engine“-Konzepten für die Unterschallanwendung zu ermitteln. Als generische Anwendungsfälle werden eine agile und hoch gepfeilte UAV-Flugzeugkonfiguration sowie ein schnelles Geschäftsreiseflugzeug betrachtet.

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... eine variable Mischerblüte simuliert. (13) Durch die Variation der Teilflächen verändern sich die Strömungsgeschwindigkeiten in den nebenstrom-und kernstromseitigen Kanälen des Mischers. Da sich nach [14] der Totaldruckverlust in einem Kanal näherungsweise proportional zum reduzierten Massenstrom verhält, ergibt sich eine Veränderung des Totaldruckverlustes durch die Variation der Mischerflächen nach Formel 15. ...
... Zusätzlich bewirkt die veränderte Düsenaustrittsfläche eine Änderung des Durchsatzkoeffizienten, der das Massenstromverhalten durch die Düse beschreibt. Somit hat die Düsenaustrittsgeometrie einen Einfluss auf den durchgesetzten Massenstrom, der in [13] im Detail beschrieben ist. ...
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In der vorliegenden Studie werden ausgewählte Aspekte der Triebwerksvorauslegung für eine hoch gefeilte Nurflügelkonfiguration mit militärischer Anwendung vorgestellt. Diese umfassen eine Auslegung des thermodynamischen Kreisprozesses, eine automatisierte Optimierung der Einlaufgeometrie sowie eine Potenzialabschätzung zu Triebwerken mit variablen Komponentengeometrien. Zunächst wird der thermodynamische Entwurf eines konventionellen Turbofantriebwerks vorgestellt, das die Anforderungen der Nurflügelkonfiguration erfüllen soll. Neben den aus dem Missionsprofil abgeleiteten Schubanforderungen dimensionieren weitere Nebenbedingungen, wie maximaler Treibstoffverbrauch, verfügbarer Einbauraum sowie aerodynamische und strukturmechanische Grenzen das Modell im Zuge des Vorentwurfs. Im nächsten Arbeitsschritt werden die ermittelten Triebwerksdaten als Randbedingung für die Strömungssimulation des Triebwerkseinlaufs verwendet. Diese ist Teil einer Optimierungsprozesskette zur Ermittlung einer Einlaufgeometrie mit möglichst geringem Totaldruckverlust und geringer Sichtbarkeit der Triebwerkseintrittsebene. In einem letzten Schritt wird das Triebwerksmodell im Zuge einer Potenzialstudie mit ausgewählten, geometrisch variablen Triebwerkskomponenten ausgestattet, um den Kreisprozess gezielt zu beeinflussen. Ziel dieser Modifikation ist das Erzeugen eines gewünschten Triebwerksverhaltens für unterschiedliche Missionsphasen. Mit Hilfe eines numerischen Optimierungsverfahrens werden diese Einstellungen ermittelt.
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