Entwicklung, Implementierung und Anwendung eines Verfahrens zur Integration von 3D-CFDTurbokomponentensimulationen in die Gesamtsystemanalyse von Fluggasturbinen

Abstract

Der Luftfahrtsektor sieht sich aktuell mit großen Herausforderungen konfrontiert. Ambitionierte Umweltziele zur Reduktion von Schadstoff- und Lärmemissionen erfordern entschlossenes und vor allem gemeinsames Handeln von Entwicklern, Herstellern und Betreibern auf verschiedensten Gebieten der Luftfahrtforschung. Auch wenn alternative Antriebskonzepte aktuell intensiv im Rahmen der Forschung betrachtet werden und zunehmend an technologischer Reife gewinnen, wird die Gasturbine auf absehbare Zeit das dominierende Antriebssystem der kommerziellen Luftfahrt sein. Die weitere Effizienzsteigerung einzelner Gasturbinenkomponenten gestaltet sich aufgrund der bereits hohen technologischen Reife allerdings zunehmend schwieriger. Neben der isolierten Betrachtung und Optimierung einzelner Komponenten gewinnt daher die Bewertung des Komponentenverhaltens im Kontext des Gesamtsystems zunehmend an Bedeutung. Um den zur Untersuchung vieler Phänomene erforderlichen hohen Detailgrad in der Simulation hierbei aufrechterhalten zu können, eignet sich der Ansatz der Multi-Fidelity Simulation, durch den einzelne Komponenten und Effekte auf quasi beliebigem Detailgrad abgebildet und die jeweiligen Erkenntnisse in die Analyse des Gesamtsystemverhaltens übertragen und gewinnbringend genutzt werden können. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung, Implementierung und Anwendung eines solchen Multi-Fidelity-Verfahrens zur Integration von 3D-CFD-Turbokomponentensimulationen in die Gesamtsystemanalyse von Fluggasturbinen. Hierzu erfolgt zunächst eine detaillierte Vorstellung unterschiedlicher Vorgehensweisen sowie deren Diskussion hinsichtlich ihrer jeweiligen Eignung für eine kombinierte Betrachtung von hochauflösenden 3DCFD-Simulationen und thermodynamischer Gesamtsystemsimulation. Auf die Auswahl einer geeigneten Vorgehensweise folgt die Entwicklung und methodische Formulierung des eigentlichen Verfahrens, dessen Funktionalität im Anschluss anhand eines generischen Anwendungsfalles demonstriert und detailliert diskutiert wird. Es folgt die Anwendung des entwickelten Verfahrens im Rahmen zweier unterschiedlicher Anwendungsfälle. Zunächst werden die Auswirkungen von Performanceeinbußen einzelner Komponenten auf die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems untersucht. Hierfür wird der Rotorspalt im 3D-CFD-Modell eines Fans variiert und die hochauflösende Simulation mit einem thermodynamischen Gesamtsystemmodell gekoppelt. Dieses Vorgehen erlaubt die Untersuchung des Einflusses eines wachsenden Rotorspaltes auf indikative Leistungsparameter und somit eine Beurteilung der resultierenden Defizite hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und Betriebssicherheit des Triebwerks. Weiterhin werden die Fähigkeiten der Multi-Fidelity-Simulation eingesetzt, um den zu erwartenden Benefit durch Grenzschichteinsaugung auf der Ebene des Antriebssystems für eine spezifische Flugzeugkonfiguration zu untersuchen. Hierbei wird ebenfalls ein 3D-CFD-Fan Modell mit einem thermodynamischen Gesamtsystemmodell gekoppelt und mit inhomogenen Eintrittsrandbedingungen beaufschlagt. Dieses Vorgehen erlaubt die Untersuchung des Einflusses der Grenzschichtströmung auf die aerodynamische Leistungsfähigkeit des Fans sowie die resultierenden Effekte auf Gesamtsystemebene.