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

Multiphysikalische Systeme, wie z. B. ein Turbofan-Triebwerk, erfordern intensive Analysen zur Regeneration einzelner Module. In dem Teilprojekt D6 wird die Entwicklung eines dynamischen digitalen Zwillings angestrebt, für eine exakte Modellierung im vollständigen Operationsbereich. Dafür wird das gesamte IFAS-Forschungs-Triebwerk in höherer Ordnung diskretisiert und modelliert. Ziel des Projektes ist eine Vorhersage und Bewertung der Auswirkungen von Verschlechterung und Reparatur auf Sicherheitsgrenzen und transiente Belastungen durchführen.

MOTIVATION UND ZIELSETZUNG

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
Abbildung 1: Einfluss von Verschleiß auf die Operationslinie im Verdichter

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.

Abbildung 2 CAD model and Pseudo-Bond-Graph of the V2500-A1

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.

ERGEBNISSE

In enger Zusammenarbeit mit diversen Teilprojekten des SFB 871 (z. B. A3, B3 und D5) wurde ein digitaler Leistungszwilling des IFAS-Forschungstriebwerk der V2500-A1 in ASTOR erstellt, der neben geometrischen Information auch die Komponenten spezifischen Kennfelder beinhaltet. Dadurch konnte der Einfluss von Verschleiß auf das Betriebsverhalten in verschiedenen Studien simuliert und ausgewertet werden.

Abbildung 3: Einfluss von Verschleiß auf die Betriebsstabilität (siehe Goeing et al 2020)

In Abbildung 3 sind die transiente Operationslinien von 5 verschieden Triebwerken () bei einer Beschleunigung zwischen Operationspunkt D und A zu sehen. Die grüne Line repräsentiert dabei ein neues Triebwerk, blau ein Triebwerk mit verschlissener Hochdruck-Turbine, schwarz mit verschlissenem Hochdruck-Verdichter und rot/gelb mit verschlissener Turbine und Verdichter. Das rechte Bild stellt den Abstand zur Stabilitätsgrenze (SM) über die Drehzahlen dar (mit Punkten -Transient,  gestrichelt-Stationär). Die linke Abbildung den Abstand zwischen transienter und stationärer Betriebskurve. Beide Abbildungen zeigen, dass der Einfluss eines verschlissenen Verdichters für die Stabilitätsgrenzen deutlich kritischer ist als bei der Turbine, was bei der Betrachtung von klassischen Leistungsparameter nicht ersichtlich gewesen ist.

AKTUELLE ARBEITEN UND AUSBLICK

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.

Abbildung 4: Betriebsverhalten der V2500 im stabilen und instabilen Bereich des Hochdruck-Verdichters

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.


VERANTWORTLICHES INSTITUT

TEILPROJEKTLEITER

Prof. Dr.-Ing. Jens Friedrichs
Adresse
TU Braunschweig
Hermann-Blenk-Strasse 37
38108 Braunschweig
Prof. Dr.-Ing. Jens Friedrichs
Adresse
TU Braunschweig
Hermann-Blenk-Strasse 37
38108 Braunschweig

MITARBEITER

Jan Göing
Adresse
TU Braunschweig
Hermann-Blenk-Strasse 37
38108 Braunschweig
Jan Göing
Adresse
TU Braunschweig
Hermann-Blenk-Strasse 37
38108 Braunschweig

VERÖFFENTLICHUNGEN

Internationale wissenschaftliche Beiträge in Fachzeitschriften, begutachtet

  • Goeing, J.; Seehausen, H.; Vladislav, P.; Lueck, S.; Seume, J. R.; Friedrichs, J. (2020): Influence of combined compressor and turbine deterioration on the overall performance of a jet engine using RANS simulation and Pseudo Bond Graph approachJ. Glob. Power Propuls. Soc. 4:296–308
    DOI: 10.33737/jgpps/131109
  • Gilge, P.; Kellersmann, A.; Friedrichs, J.; Seume, J. R. (2019): Surface roughness of real operationally used compressor blade and bliskProceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering, 1-10
    DOI: 10.1177/0954410019843438
  • Kellersmann A., Reitz G., and Friedrichs J. (2018): Deterioration effects of coupled blisk bladesJ. Glob. Power Propuls. Soc. 2:465–476
    DOI: 10.22261/JGPPS.CKB8N6
  • Kellersmann, A.; Weiler, S.; Bode, C.; Friedrichs, J.; Städing, J.; Ramm, G (2018): Surface Roughness Impact on Low-Pressure Turbine Performance Due to Operational DeteriorationJ. Eng. Gas Turbines Power 140(6): 062601
    DOI: 10.1115/1.4038246
  • Reitz, G., Kellersmann, A., Schlange, S., & Friedrichs, J. (2018): Comparison of sensitivities to geometrical properties of front and aft high pressure compressor stagesCEAS Aeronautical Journal 9, 135–146
    DOI: 10.1007/s13272-018-0281-8

Internationale Konferenzbeiträge, begutachtet

  • Göing J., Kellersmann A., Bode C., Friedrichs J. (2020): System Dynamics of a Single-Shaft Turbojet Engine Using Pseudo Bond GraphIn: Dillmann A., Heller G., Krämer E., Wagner C., Tropea C., Jakirlić S. (eds) New Results in Numerical and Experimental Fluid Mechanics XII. DGLR 2018. Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design, vol 142. Springer, Cham.
    DOI: 10.1007/978-3-030-25253-3_41
  • Göing, Jan; Bode, Christoph; Friedrichs, Jens; Seehausen, Hendrik; Herbst, Florian; Seume, Joerg R (2020): Performance Simulation of Roughness Induced Module Variations of a Jet Propulsion by Using Pseudo Bond Graph TheoryProceedings of ASME Turbo Expo 2020 Turbomachinery Technical Conference and Exposition GT2020
    DOI: 10.1115/GT2020-14456
  • Göing, J.; Kellersmann, A.; Bode, C.; Friedrichs, J. (2019): Jet Propulsion Engine Modelling Using Pseudo Bond Graph ApproachASME Turbo Expo 2019
    DOI: 10.1115/GT2019-90420
  • Göing, J.; Lück, S.; Bode, Ch.; Friedrichs, J. (2019): Simulation of the Impact of a Deteriorated High-Pressure Compressor on the Performance of a Turbofan Engine Using a Pseudo Bond Graph Modelling ApproachGPPS Peking 2019
  • Seehausen, H.; Gilge, P.; Kellersmann, A.; Friedrichs, J.; Herbst, F. (2019): Numerical Study of Stage Roughness Variations in a High Pressure CompressorGas Turbine Society of Japan (Hg.): Proceedings of the International Gas Turbine Congress 2019 Tokyo.
Alle Veröffentlichungen des Sonderforschungsbereiches