B04: Integrierte Strömungssimulation für schubvektorielle Antriebssysteme

Disziplin Aerodynamik

Im Rahmen des Projekts B04 werden neue aero-thermodynamische Effekte von Triebwerken mit niedrigem spezifischem Schub- und Druckverhältnis untersucht, deren Abgassysteme in den steilen Bereichen der Strömungs- und Schubkennlinien betrieben werden. Dies umfasst ungleichmäßige Strömungsbedingungen in der Zu- und im Abströmung. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Rückwirkung auf die Aerodynamik und Leistung des Bläser (Fan). Die instationäre Leistungsberechnung, um die Abwärmerückgewinnung und die wasserrückgewinnende Abgasbehandlung sowie eine moderate Schubvektorsteuerung erweitert. Das Modell wird so erweitert, dass die in SynTrac erarbeiteten Methoden zur Leistungsbilanz zwischen Flugzeug und Triebwerk angewandt werden können und so detaillierte aero-thermodynamische Ergebnisse mit Modellen reduzierter Ordnung innerhalb von SynTrac verbunden werden.

Motivation

Die Integration von Antriebssystemen in den hinteren Rumpf bietet die Möglichkeit, Synergien in der Konstruktion und im Betrieb zu erzielen, koppelt aber die interne Triebwerksströmung stark an die Strömung im Leitwerk.

  • Boundary Layer Ingestion als Möglichkeit zur Leistungseinsparung erfordert ein umfassendes Verständnis der damit verbundenen Nachteile für den Niederdruckverdichter unter Design- und Off-Design-Bedingungen.
  • Mildes Schubvektoring ermöglicht die Kombination von Schuberzeugung und Flugzeugsteuerung bei gleichzeitiger Reduzierung der benetzten Fläche und des Luftwiderstands.
  • Wärmerückgewinnung und andere Arten der Abgasbehandlung beeinflussen den Entwurf der Strömungswege und die Integration des Triebwerks in das Leitwerk.
  • Die starken aerodynamischen Kopplungen zwischen den Komponenten müssen in zukünftige Triebwerksleistungsmodelle integriert werden.

Ziel

  • Definition von Modellen reduzierter Ordnung (ROM), die die zusätzlichen Wechselwirkungen von hochintegrierten Antriebssystemen mit niedrigem spezifischem Schub beschreiben.
  • Entwicklung eines neuen thermo- aerodynamischen Leistungsmodells für integrierte Triebwerke mit BLI und Abgasnachbehandlung.
  • Integrierte, realitätsnahe Simulation der ungleichförmigen Strömung im Einlauf, Fan, Bypass-Kanal und Abgassystem.
  • Detaillierter Entwurf einer Düse mit variabler Fläche und der Möglichkeit einer milden Schubvektorisierung

Lösungsansatz

Die erste Phase konzentriert sich auf das thermo-aerodynamische Design und die Sizing des Basis-Triebwerks und des Niederdruckverdichters, die für das 180°-BLI-Referenztriebwerk angepasst sind. Dies wird durch eine aerodynamische Analyse der Lufteinlassverzerrung des Niederdruckverdichters aufgrund von BLI mithilfe von RANS-Simulationen verfolgt. Anschließend wird die Wechselwirkung zwischen dem nichtsymmetrischen Auslass und dem Niederdruckverdichter sowie dem nicht-uniformen Druck im Flugzeugrumpf untersucht. Um Verluste im Zusammenhang mit BLI zu mildern, werden Optimierungsstudien durchgeführt, um einen verzerrungs-toleranten Niederdruckverdichter zu entwerfen, der eine modifizierte radiale Rotorlastverteilung aus vorherigen Berechnungen verwendet. Zunächst werden der Arbeitszyklus sowie das Modellierungskonzept in Bezug auf die Abwärmerückgewinnung und die Abgasbehandlung betrachtet. Dann werden der detaillierte Entwurf des Propulsors, der optimale Entwurfsraum für die Abgasbehandlung mit Wasserrückgewinnung sowie der Entwurf für zwei Abgassystem mit leichter Schubvektorisierung bestimmt. Daran schließt sich die strömungsmechanische Analyse von Schubvektorisierungssystemen mit variabler Fläche an. Im letzten Schritt wird eine erweiterte, thermodynamisch konsistente Leistungsmodellierung durchgeführt, die die nichtlinearen Wechselwirkungen des Antriebssystems berücksichtigt.

Rolle in SynTrac

  • Definition der Triebwerk und Fan leistung und Abmessungen für die Projekte A01, A02, A03, A06, B01, B06 und B03.
  • Charakterisierung und Bewertung des BLI-Einlasses mit C03.
  • Bereitstellung von Fan-Auspuff-Wechselwirkungsergebnissen für B01 und B06.
  • Abschätzung der Abmessungen und des Bauraums für Abgasbehandlungskomponenten mit C02 und B06.
  • Lieferung von Entwürfen für Abgassysteme mit leichter Schubvektorsteuerung für B03 und B06.
  • Analyse von Systemen mit leichter Schubvektorsteuerung mit der erweiterten Leistungsbilanzmethode von A02.
  • Erstellung der Brutto-Schubkraft für Projekt A05.

An "B04: Integrierte Strömungssimulation für schubvektorielle Antriebssysteme" beteiligte Personen