Teilprojekt D6 Wechselwirkung von kombinierten Baugruppen-Varianzen und Einfluss auf das Gesamtverhalten

Da die Leistungsfähigkeit eines Flugzeugs direkt und untrennbar mit der Leistung des Antriebs verbunden ist, werden ständig Anstrengungen unternommen sowohl die Schuberzeugung als auch die Treibstoffeffizienz von Triebwerken zu erhöhen. Die anhaltenden Anforderungen an die Leistungssteigerung führen dazu, dass sehr nahe an den aerodynamischen, thermischen und strukturellen Grenzen des Triebwerks gearbeitet wird. Dabei müssen die Betriebsgrenzen so gewählt sein, dass ein sicherer Betrieb auch während transienten Notfallsituationen gewährleistet ist. 

Durch den Verschleiß von isolierten oder kombinierten Bauteilen kommt es jedoch zu zwei negativen Effekt:

1. Der Abstand zu den Betriebssicherheitsgrenzen reduzieren sich
2. Transiente Lasten erhöhen sich, wodurch das Triebwerk schneller zu den Grenzen getrieben wird

Als Bespiel dafür ist in Abbildung 1 ein repariertes (grün) und verschlissenes (rot) Kennfeld eines Verdichters mit stationärer und transienter Betriebsline zwischen den Betriebspunkt D und A zusehen. Der Verschleiß führt dazu, dass sich das Kennfeld nach unten links verschiebt und die Betriebsline nach oben. Insbesondere wird der Abstand zwischen Stabilitätslimit und transienten Operationsline signifikant reduziert.

Um diesen Einfluss möglichst genau zu untersuchen, wird in dem Teilprojekt D6 das Leistungsberechnungsprogramm ASTOR (AircraftEngine Simulation for Transiente Operation Research) entwickelt, welches mittels Finiten-Differenzen-Ansatz (FDM) das vollständige Triebwerk diskretisiert. Dafür werden die  1D-Erhaltungsgleichungen für Strömungs- und Energietransport, die Dynamik von rotierenden Maschinen, Reibung und Radialspaltänderung wegen Wärmetransport im Triebwerk berücksichtigt.  Das daraus folgende Differentialgleichungssystem ist dadurch in der Lage das dynamische Verhalten des Triebwerks mit wechselseitigen Interaktionen zu berechnen, wodurch höhere Genauigkeiten in transienten Operation erreicht werden können (vgl. zu gewöhnlichen iterativen Leistungssyntheseverfahren). In Abbildung 2 ist das IFAS-Forschungstriebwerk in der Pseudo-Bond-Graph-Notation dargestellt, die den Algorithmus von ASTOR repräsentiert.

Ziel dieses Teilprojektes ist die Bewertung des Einflusses von Verschleiß und Reparatur auf das stationäre und transiente Betriebsverhalten von Triebwerken.

Im weiteren Verlauf dieses Projektes sind Testläufe mit dem IFAS-Forschungstriebwerks geplant, die zum einen ASTOR experimentell valideren, zum anderen Leistungsverschlechterung durch gezielte Modifikationen untersuchen sollen. Zusammen mit Teilprojekt A3 und A6 werden Modifikationen in der Brennkammer vorgenommen die an verschiedenen Position des Triebwerks detektiert werden sollen, um den Einfluss auf das Gesamttriebwerk zu untersuchen und in ASTOR zu spiegeln.

Des Weiteren ermöglich die FDM des Triebwerks in ASTOR die Simulation von hochdynamischen Effekten, wie z. B. das tiefe Strömungsabreisen im Hochdruckverdichter und die Reaktion auf das Gesamtsystem. Als Bespiel dafür ist in Abbildung 4 der Verlauf vom Hochdruckverdichter während des tiefen Strömungsabrissen zu sehen. Die in grün dargestellten Drosselkurven zeigen bis zur Stabilitätsgrenze den stabilen Bereich des Hochdruck-Verdichters und des Triebwerks dar. Wird auf Grund einer zu schnellen Treibstoffzugabe (Beschleunigung im Notfall) der Verdichter zu strakt gedrosselt, kann dieser in den instabilen Bereich kommen, welches fatale Folgen für das Triebwerk hätte.