Weiterentwicklung von TRACE zur Steigerung der Vorhersagegenauigkeit im Off-Design

Betreuer: Dipl.-Ing. Sebastian Robens, Dipl.-Ing. Stefan Henninger

Zielsetzung

Übergeordnetes Ziel des Verbundvorhabens ist die technologische Erarbeitung der Anforderungen an einen Hochdruckverdichter der nächsten Generation sowie die treffsichere Vorhersage der Eigenschaften gerade auch an der Pumpgrenze und in Teillast.

In Off-Design Lastzuständen treten sehr stark ausgeprägte und hochkomplexe instationäre sowie dreidimensionale Effekte auf, die sich in der Regel über mehrere Stufen hinweg gegenseitig beeinflussen und in der heutigen Triebwerksauslegung noch zu ungenau vorhergesagt werden können. Das Teilvorhaben „Weiterentwickelung von TRACE insbesondere zur Steigerung der Vorhersagegenauigkeit im Off-Design“ ist Bestandteil des Verbundprojektes „Verdi“ im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogramms IV-3.

Vorgehensweise

Das vom IST bearbeitete Teilprojekt beschäftigt sich mit der Weiterentwickelung des  Navier-Stokes Lösers TRACE insbesondere zur Steigerung der Vorhersagegenauigkeit für den Off-Design Bereich. Dafür werden drei Teilaspekte behandelt:

Interface-Modellierung
Mit einer Erweiterung der Interface-Modellierung, basierend auf dem Mixing-Plane Ansatz zur Berechnung lokaler Rückströmung, soll eine zeitsparende Strömungsanalyse nahe der Pumpgrenze ermöglicht werden. Ziel ist es, für die Auslegung von mehrstufigen Verdichtern ähnlich gute Ergebnisse zu erzielen wie es mit voll instationären Rechnungen möglich ist aber mit einem deutlich geringeren Zeitaufwand.

Netzabhängigkeit
Da sich im starken Off-Design Bereich die Ablösegebiete und Nachlaufdellen über einen großen Bereich erstrecken, entstehen große Gradienten in weiten Bereichen des Strömungsgebietes. Dies macht grundsätzlich ein sehr feines Rechennetz notwendig, was die Rechenzeit erheblich verlängert. Somit ist ein weiteres Ziel, die Netzabhängigkeit der Lösung gezielt zu reduzieren. Dies soll insbesondere im Bereich der Rotorradialspaltströmung geschehen, wo die Instabilitäten, die letztendlich zum Pumpen führen, beginnen.

BSSM und TRACE Validierung
Auf der experimentellen Seite werden Versuche zur Validierung von TRACE gefahren. Dabei kommt das von der MTU entwickelte Verfahren BSSM (Berührungslose Schaufelschwingungsmessung) zum Einsatz. Hintergrund der Anwendung ist, dass Schwingungsanalysen im Vergleich zu mit instationären Drucksonden durchgeführten Strömungsanalysen empfindlicher das Einsetzten der Strömungsinstabilitäten identifizieren können. Gleichzeitig kann durch die BSSM Messung eine Aussage über das Schwingverhalten jeder einzelnen Rotorschaufel getroffen werden.

Projektpartner

Das Projekt wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie gefördert und in Kooperation mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der MTU Aero Engines durchgeführt.