Konzeptstudie zu zukünftigen Hochbypass-Triebwerken mit gegenläufigem Fan

Kurzfassung

Das Technologieprojekt Claire der Firma MTU dient als Leitkonzept der vorliegenden Arbeit. Die im Rahmen dieses Programms betrachteten Konzepte fokussieren sich auf Getriebefans in mehreren Ausbaustufen. Claire gibt damit eine Perspektive bzw. nationale Sichtweise für die Entwicklung der Umweltfreundlichkeit von Luftfahrtantrieben bis ins Jahr 2030 und darüber hinaus. Ausgehend von derzeit bekannten Getriebefankonzepten erfolgt in Claire2 eine Maximierung des Propulsionswirkungsgrades über ein optimiertes Fan-Konzept wobei zunächst der gegenläufige Fan im Vordergrund steht. In der dritten Ausbaustufe wird diese Triebwerkskonzept mit rekuperativen Elementen auch bezüglich des thermischen Wirkungsgrades maximiert. Die Auslegung neuer Triebwerkskonzepte ist ein sehr vielschichtiger Prozess und ist, je nach vorgesehenem Einsatzspektrum, vielen, teilweise gegensätzlichen Auslegungszielen unterworfen. Im Bereich ziviler Anwendungen sind neben einem möglichst minimalen Brennstoffverbrauch als vorrangigem Ziel zum Beispiel auch Zulassungsbedingungen und geometrische Beschränkungen bindend. Teilweise ergeben sich die Beschränkungen auch erst aus dem zu untersuchenden Triebwerkskonzept bzw. aus den spezifischen Anforderungen an das Triebwerk. Neben einer detaillierten Beschreibung der Vor- und Nachteile eines Triebwerks mit gegenläufigem Fan und der Einordnung dieses Triebwerkskonzeptes in den Kontext des MTU-Technologieprogramms Claire, soll in dieser Studie der Aufbau einer Prozesskette zur thermodynamischen Vorauslegung eines solchen Konzeptes aufgezeigt werden. Die kritischen Betriebspunkte für derartige Anwendungen werden herausgearbeitet. Es wird eine Auslegungsroutine beschrieben, die eine Optimierung dieser Konzepte im Rahmen der vorgegebenen Begrenzungen erlaubt. Die erstellte Prozesskette wird auf gegenläufige Triebwerke mit hohem Bypass-Verhältnis angewendet. Die resultierenden Triebwerksentwürfe werden anhand von Parameterstudien näher analysiert und die limitierenden Faktoren genauer erläutert. Es wird der Einfluss von unterschiedlichen triebwerkinternen Parametern (z.B. Fandruckverhältnis, BPR etc.) sowohl auf den Brennstoffverbrauch des nicht installierten Triebwerkes, aber auch auf vollständige Missionsverbräuche unter Berücksichtigung von Gewichts- und Widerstandsänderungen aufgezeigt. Weiterhin wird der Einfluss von Betriebsanforderungen (Schneller/langsamer fliegen, höhere/geringere Steigleistung) auf die Triebwerksauslegung dargestellt. Die Auslegung der Konzepte erfolgt mit dem DLR-eigenen thermodynamischen Leistungssynthese-Tool VarCycle, das für diese Untersuchungen mit einfachen Korrelationsverfahren zur Ermittlung des Triebwerksgewichtes und –widerstandes gekoppelt ist. Weiterhin wird ein Triebwerksdimensionierungsverfahren genutzt, das in Abhängigkeit von der Charakteristik eines Referenzflugzeuges Schubvorgaben für kritische Betriebszustände zur Dimensionierung der Triebwerke erzeugt. Zur weiteren Untersuchung der Triebwerkskonzepte werden Missionsrechnungen mit dem DLR-Flugleistungsmodul VarMission durchgeführt. Die Optimierungen der Triebwerkskonzepte werden über das Softwareframework ModelCenter durchgeführt durch welches alle Verfahren zu einer Prozesskette verknüpft werden.