Aeroelastische Auswirkungen sinkender Nabenverhältnisse auf die Niederdruckverdichter in zukünftigen UHBR-Triebwerken
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Projekts wurde ein vorliegendes Fanstufenmodell erweitert, simuliert und analysiert, um den Einfluss steigender Bypassverhältnisse auf die nabennahe Fanströmung bewerten zu können. Auf dessen Grundlage wurde die Zuströmung zu einem stromabliegenden Niederdruckverdichter berechnet und ein entsprechendes dreistufiges Niederdruckverdichtermodell entworfen. Die dafür benötigten institutsinternen Auslegungsprogramme mussten entgegen der ursprünglichen Planung zunächst neu erstellt werden, da im ursprünglichen Fanstufenmodell die Notwendigkeit einer Erweiterung um einen Niederdruckverdichter nicht sinnvoll vorgesehen war. Parallel wurde die Prozesskette zur Bestimmung der aeroelastischen Auswirkungen sinkender Nabenverhältnisse aus dem Referenzentwurf definiert, aufgebaut und validiert. Anschließend wurden die einzelnen Modelle der im Antrag postulierten Parameterstudien erstellt, simuliert und unter aerodynamischen Gesichtspunkten ausgewertet, wodurch eine vollständige aerodynamische Prozesskette entwickelt wurde. Aufgrund der aerodynamischen Simulationsergebnisse konnte nachfolgend auch die aeroelastische Prozesskette angewendet werden, um die aeroelastischen Sensitivitäten zu ermitteln. Die gewonnenen Erkenntnisse der aerodynamischen sowie aeroelastischen Sensitivitätsstudie wurden verwendet, um Handlungsempfehlungen für zukünftige Fan-Verdichter-Auslegungen zu formulieren. So zeigt sich, dass eine weitere Steigerung des Bypassverhältnisses zu höheren aerodynamischen Verlusten durch eine relative Zunahme der Sekundärströmungseffekte führt. Infolge der Geometrieänderungen kommt es zu einer Änderung der Eigenformen und Drehzahlen der Moden, was eine aeroelastische Potenzialabschätzung erschwert. Dies kann sogar bis hin zu einem Wechsel der Modenform führen. Allgemein lässt sich eine Zunahme der aerodynamischen Dämpfung mit steigendem Bypassverhältnis feststellen. Eine Verringerung des axialen Schaufelabstands scheint sinnvoll, da es bei gleichzeitiger Steigerung des polytropen Verdichterwirkungsgrads zu keinen aeroelastischen Auswirkungen innerhalb des ersten Rotors kommt. Eine intensivere Untersuchung über die Betriebspunkabhängigkeit der Sensitivitäten des Schaufelabstandes auf Rotor 1 und die stromabliegenden Schaufeln muss für eine umfassende Aussage folgen. Die Verwendung von Pfeilung und V-Stellung des Eintrittsleitrades wirkt sich deutlich positiv auf die aerodynamische und aeroelastische Belastung im Teillastbereich aus. Der Einfluss der Fan- Kavitätenleckage wurde unter starken Vereinfachungen untersucht und beweist sich als stark betriebspunktabhängig. Abschließend wurde unter aerodynamischen und aeroelastischen Gesichtspunkten eine Potenzialabschätzung des Referenzentwurfs durchgeführt. Dabei zeigte die dreidimensionale Schaufelgestaltung das größte Potenzial für eine Verbesserung unter integraler Berücksichtigung aerodynamischer und aeroelastischer Gesichtspunkte.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2018): Experimental Validation of a Forced Response Analysis Using a Time-Linearized Method, AIAA SciTech, 8-12 January, Kissimmee, Florida, AIAA 2018-0461
Bittner, S. L.; Keller, C.; Meinzer, C. E.; Seume, J. R.
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(2019) Aeroelastic Effects of Aerodynamic Based Geometry Variation on a Low Pressure Compressor. Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2019
Eggers, T.; Bittner, S.; Friedrichs, J.; Seume, J.
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(2019) Effects of Increasing Bypass Ratio of UHBR Fans on Near Hub Flow. In Proceedings of Global Power and Propulsion Society. Beijing Conference 2019
Eggers, T.; Friedrichs, J.
