Numerische Simulation

Die Arbeitsgruppe Numerische Simulation am Fachgebiet Gasturbinen, Luft- und Raumfahrtantriebe beschäftigt sich mit der Anwendung moderner Simulationsmethoden für aktuelle Fragestellungen in der Entwicklung von Turbokomponenten. Den Arbeitsschwerpunkt bildet die Validierung neuer Berechnungsmethoden sowie deren Integration in den Entwicklungsprozess moderner Triebwerke. Aus den gewonnenen Erkenntnissen werden innovative Designregeln zur Verbesserung der Komponentenwirkungsgrade und zur Entwicklung neuartiger Konzepte abgeleitet.

Die Arbeitsgruppe Numerische Simulation betreibt am Fachgebiet einen Rechencluster zur Durchführung numerischer Berechnungen. Die insgesamt zur Verfügung stehende Rechenkapazität beträgt:

● 356 Rechenkerne

● 1472 GB Arbeitsspeicher

Der Cluster ist modular aufgebaut und erlaubt somit die Einrichtung getrennter Bereiche zur Bearbeitung verschiedener Projekte. Des Weiteren besteht ein Zugang zum Lichtenberg-Hochleistungsrechner der TU Darmstadt.

Für Simulationen zur Durchführung der Forschungsvorhaben und der Lehrveranstaltungen am Fachgebiet werden die folgenden Programme eingesetzt:

● CFD/FEM Programmsystem ANSYS

● CFD Programmsystem TRACE

● CFD Programmsystem Numeca

● Vernetzungssoftware CENTAUR

Im Rahmen der Zusammenarbeit mit Rolls-Royce wird ebenfalls Rolly-Royce eigene Software eingesetzt:

● CFD Programmsystem AU3D

● CFD Programmsystem HYDRA

● FEM Programmsystem SC03

Numerische Thermalvorhersage von Turbinenschaufeln

Für die Auslegung moderner Hochdruckturbinenschaufeln ist eine numerische Validierung des Kühlluftdesigns erforderlich, um auf der einen Seite zu gewährleisten, dass die thermische Belastbarkeit des Schaufelmaterials an keiner Stelle überschritten wird und um auf der anderen Seite keine Wirkungsgradeinbußen durch nicht benötigte Kühlluft zu riskieren. Da konventionelle Methoden zur Ermittlung des Wärmeübergangs an den Schaufelwänden auf reiner Strömungssimulation basieren, wird die thermische Rückkopplung zwischen Struktur und Strömung vernachlässigt. Aus diesem Grund kommen konjugierte Wärmeübertragungsrechnungen zum Einsatz, die die strömungsseitige Thermalvorhersage mit der Wärmeleitung in der Struktur koppeln. Im Rahmen eines aktuellen Forschungsvorhabens sollen die physikalischen Vorgänge dieser Fluid-Struktur Interaktion erforscht und verstanden werden, um durch den Aufbau numerischer Modelle das Potential konjugierter Rechnungen in Hinsicht auf die Unsicherheiten bisheriger Auslegungsprozesse zu ermitteln.

Forschungsvorhaben: Luftfahrtforschungsprogramm 5 (LuFo 5) Tranche 2

Brennkammer-Turbinen-Interaktion mit pulsierenden Verbrennungszyklen

Die Komponentenwirkungsgrade von Triebwerkskomponenten nähern sich stetig technologisch bedingten Grenzen an. Höhere Wirkungsgradklassen lassen sich nur durch die Einführung neuartiger, revolutionärer Technologien erreichen, welche im Verbundvorhaben TREVAP analysiert werden. Dabei werden bisher nicht näher betrachtete technische Lösungen für zukünftige Turboflugtriebwerke mit neuartigen Kreisprozessen, die durch pulsierende Verbrennungszyklen charakterisiert sind, untersucht und bewertet. Vor allem drucksteigernde Verbrennungskonzepte nehmen in diesem Forschungsvorhaben eine besondere Rolle ein.

Im Zusammenhang mit drucksteigernden Verbrennungsmethoden, sind zwei technologische Konzepte hervorzuheben: Pulsed Detonation Engines (PDE), die auf einem Druckaufbau durch detonationsartige Verbrennungsprozesse basieren und Wave Rotor Combustion Rigs (WRCR), bei denen rotierende Brennräume periodisch Heißgas an die Turbine abgeben. Beide Konzepte haben eine instationäre aero-thermale Beaufschlagung der stromab liegenden Turbine zur Folge. Die Auswirkungen auf die Aerodynamik konventioneller Turbinen sind hierbei noch weitgehend unerforscht.

Der Verbundpartner TU Darmstadt, bzw. das Fachgebiet Gasturbinen, Luft- und Raumfahrtantriebe, verfolgt innerhalb von TREVAP unter anderem das Ziel, die Auswirkung instationärer Einströmrandbedingungen auf die Verlustmechanismen in Turbinenstufen zu analysieren. Dabei sollen prinzipielle Schwachstellen und Potenziale aktueller Turbinengeometrien vor dem Hintergrund instationärer Zuströmung aufzeigt werden. Im Fokus stehen hierbei auch die Auswirkung auf die thermale Auslegung und das Kühlkonzept der Turbine.

Forschungsvorhaben: Luftfahrtforschungsprogramm 5 (LuFo 5) Tranche 2

Verdichteraeroelastik

Der Verdichter ist in einem modernen Triebwerk für ungefähr 50% des Gewichts verantwortlich und nimmt ca. 50% des Bauraums ein. Die Gewichtsreduktion ist daher ein zentrales Ziel in der Entwicklung fortschrittlicher Triebwerksverdichter. Aus diesem Grund ergeben sich die folgenden Designtrends:

• Aerodynamisch hoch belastete Schaufeln zur Reduktion der Stufenanzahl bzw. der Schaufelanzahl.

• BLISK-Bauweise für Verdichterrotoren (Schaufeln und Scheibe sind als ein integrales Bauteil ausgeführt)

Aufgrund der hohen aerodynamische Belastung und des Wegfalls von Reibungsflächen durch BLISK-Bauweise ergibt sich eine erhöhte Schwingungsanfälligkeit des Verdichters. Besonders kritisch sind dabei selbsterregte Schaufelschwingungen, da sie unerwartet aus einer Interaktion der Schaufelvibration mit der Strömung entstehen können. Dabei haben sie das Potenzial in kürzester Zeit hohe Schwingungsamplituden hervorzurufen, was im Extremfall zu einem mechanischen Versagen der Schaufeln führt.

Am Fachgebiet Gasturbinen, Luft- und Raumfahrtantriebe werden aus diesem Grund neueste Simulationswerkzeuge zur Forschung im Bereich Verdichteraeroelastik eingesetzt. Die Untersuchungen finden in enger Zusammenarbeit mit den experimentellen Arbeiten am Fachgebiet statt. Ziele der Vorhaben sind:

• Verständnis von Mechanismen welche zum Entstehen selbsterregter Schaufelschwinungen führen.

• Untersuchung von Maßnahmen zur aeroelastischen Stabilisierung.

Forschungsvorhaben: Luftfahrtforschungsprogramm 5 (LuFo 5)

Brennkammer-Turbinen-Interaktion

Neuartige Brennkammertechnologien, die die NOx-Emmissionen moderner Flugtriebwerke reduzieren, zeichnen sich durch starken Drall, Temperaturungleichförmigkeit und hohen Turbulenzgrad am Brennkammeraustritt aus. Dies hat negative Auswirkungen auf Wirkungsgrad und Lebensdauer der stromab liegenden, thermisch hochbelasteten Hochdruckturbine. Die Interaktionsmechanismen der Feldgrössen am Turbineneintritt und in der Statorpassage sind bisher nicht vollständig verstanden. In einem aktuellen numerischen Forschungsprojekt wird der Ansatz verfolgt, die Verteilungen von Drall, Temperatur und Turbulenz am Turbineneintritt zu parametrisieren und somit wissenschaftlich vergleichbare Randbedingungen auf CFD-Simulationen aufprägen zu können. Im Fokus der Untersuchungen steht die Auswirkung der Eintrittsgrössen auf den Wirkungsgrad der Hochdruckturbine. Dafür soll vor allem das Verständnis der zugrundelegeden aerodynamischen Mechanismen und deren Auswirkungen auf Effizienz und Wärmeübergang verbessert werden.

Forschungsvorhaben: Luftfahrtforschungsprogramm 5 (LuFo 5) Tranche 2