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Case Study

Hot Streaks Mehr als nur heiße Luft

Branche

Transport & Mobility

Projekt

Idomeneo

Leistung

Turbomaschinen Simulation

Aufgabe

Klärung, ob kürzere Triebwerke in der Luftfahrt negative Auswirkungen mit sich bringen.

Lösung

Es wurde eine numerische Simulation durchgeführt und durch experimentelle Daten auf der Grundlage von drei verschiedenen Taktpositionen validiert.

Nutzen

Durch die ideale Ausrichtung der Brennkammern auf die Hochdruckturbinenstufe werden schädliche Effekte vermieden.

Projekt details

Das Projekt IDOMENEO versucht, den sich im Laufe der Zeit ändernden Anforderungen der Luftfahrtindustrie gerecht zu werden. Heute stehen Gewichtsreduzierung und Treibstoffeinsparung an erster Stelle. Die geforderte Gewichtsreduzierung in der Luftfahrt führt zu Leichtbaukonstruktionen und kürzeren Triebwerken aufgrund geringerer Achsabstände zwischen Schaufeln und Leitschaufeln, was wiederum zu kürzeren Gehäuseteilen führt. Infolgedessen ist die verfügbare Zeit für die Ausmischung von Hot Streaks (HS) begrenzt. Hot Streaks sind ungleichmäßige Temperaturverteilungen, die sich stromabwärts der Brennkammern befinden und weiter stromabwärts liegende Teile wie das Turbinenzwischengehäuse (TCF) beeinträchtigen. Die Ausrichtung der Brennkammern zur Hochdruckturbinenstufe, im Einzelnen die Leitschaufeln, beeinflusst die räumliche Lokalisierung der Hot Streaks. Ziel des Projektes war es zu klären, ob veränderte Muster von Hot Streaks negative Effekte wie eine schnellere Ermüdung von Strukturen und Materialien und eine hohe thermische Belastung mit der Folge reduzierter Lebensdauerzyklen nach sich ziehen.  Anschließend wurde eine instationäre Reynolds-gemittelte-Navier-Stokes (URANS) Simulation mit SST k-omega als Turbulenzmodell mit der kommerziellen Software Ansys CFX durchgeführt. Die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors betrug 9609,5 U/min. 

Turbine Engine Profile. Aviation Technologies.

Abbildung 1: Triebwerk im Detail

Case Study: Hot Streaks – mehr als nur heiße Luft

Abbildung 2: Verschiedene Taktungspositionen (links: HS ausgerichtet an der Vorderkante der Statorschaufel, Mitte: HS ausgerichtet an der Statorpassage, rechts: HS ausgerichtet an der Vorderkante der Statorschaufel und der TCF)

Die Dichte basierte auf einem idealen kompressiblen Gas, während die temperaturabhängige Viskosität nach Sutherland verwendet wurde. Darüber hinaus wurde für die Simulationen ein Gesamttemperaturprofil festgelegt, das Hot Streaks einschließt. Es wurden drei verschiedene Taktpositionen der Hot Streaks relativ zu den Statorschaufeln gewählt, um verschiedene Szenarien zu beleuchten. Das Entropiefeld in der Mitte der Spannweite verdeutlicht die Wanderung der heißen Streifen an verschiedenen Taktpositionen, wie links dargestellt.

In Takt zwei ist der heiße Streifen auf den Statorgang ausgerichtet. Im dritten Takt schließlich sind die heißen Streifen auf die Vorderkanten des Stators ausgerichtet, und jeder zweite heiße Streifen ist auf die stromabwärts gelegene Vorderkante der TCF ausgerichtet. Schließlich wurden die Ergebnisse experimentell validiert.

Ergebnisse

Die Ergebnisse zeigten deutlich, dass die Ausrichtung der Brennkammern zu den HPT-Statorschaufeln einen bemerkenswerten Einfluss auf die aerodynamische Strömung hatte. Bestimmte räumliche Lokalisierungen wiesen besonders hohe Temperaturen der Hot Streaks auf. Vieles deutete auf negative Auswirkungen hin, wenn die Hot Streaks das Gehäuse erreichten. Dank der im Rahmen des IDOMENEO Projekts durchgeführten eingehenden Studien konnten wir nachweisen, dass eine ideal zum HPT ausgerichtete Brennkammer Hot Streaks außerhalb der zentralen Strömung vermeidet. Daher ist die richtige Positionierung der Brennkammern ein Weg, um eine hohe thermische Belastung zu vermeiden, die zu einer schnelleren Ermüdung von Strukturen und Materialien führt. 

Idomeneo_clocking_graph_DE

Abbildung 3: Ergebnisse – Gesamtdruckverlust zwischen TCF-Eingang und -Ausgang