Abklärung, ob eine Verkürzung von Triebwerken negative Auswirkungen mit sich bringt.
Lösung
Durchführung einer numerischen Simulation und Validierung experimentelle Daten auf der Grundlage von drei unterschiedliche Umlaufpositionen.
Kundennutzen
Die ideale Ausrichtung der Brennkammern zur Hochdruckturbinenstufe vermeidet negative Auswirkungen.
Abbildung 1: Flugzeugturbine
Projektbeschreibung
Die Luftfahrtindustrie war im Laufe der Zeit starken Veränderungen unterworfen. Das Projekt Idomeneo versucht, den geänderten Anforderungen in 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 durch geringere Achsabstände zwischen Schaufeln und Leitschaufeln, was wiederum in kürzeren Gehäuseteilen resultiert. 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 zu einer schnelleren Struktur- und Materialermüdung führen bzw. ob eine hohe thermische Belastung sich negativ auf die Lebensdauer auswirkt. 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. 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 Migration der Hot Streaks an verschiedenen Umlaufpositionen, wie unten dargestellt.
Abbildung 2: Unterschiedliche Umlaufpositionen (links: HS-Ausrichtung Vorderkante der Statorschaufeln; Mitte: HS-Ausrichtung zum Statorgang;
rechts: HS-Ausrichtung zur Statorschaufel und aligned with Stator vane and TCF-Vorderkante)
Auf der linken Seite ist erkennbar, dass die Hot Streaks auf die Vorderkante der Statorschaufel ausgerichtet sind (Umlaufposition eins). Bei Umlaufposition zwei sind die Hot Streaks auf den Statorgang ausgerichtet. Bei Umlaufposition drei schließlich sind die Hot Streaks auf die Statorvorderkante ausgerichtet, und jeder zweite der Hot Streaks ist auf die stromabwärts gelegene TCF-Vorderkante ausgerichtet. Schließlich wurden die Ergebnisse experimentell validiert.
Ergebnis
Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass die Ausrichtung der Brennkammern auf die HPT-Statorschaufeln einen bemerkenswerten Einfluss auf die aerodynamische Strömung hat. Bestimmte räumliche Lokalisierungen weisen besonders hohe Temperaturen bei den Hot Streaks auf. Vieles deutete auf negative Auswirkungen hin, wenn diese Hot Streaks auf das Gehäuse treffen. 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 Materialermüdung führt.
Abbildung 3: Ergebnisse – Gesamtdruckverlust zwischen TCF-Einlass and Auslass
