Aeroelastik der Turbomaschinen

Bei dem Streben nach Effizienz stoßen wir jedoch auf ein Hindernis: die zunehmende Komplexität der Turbinen- und Verdichterschaufelprofile, die zu einer erhöhten Empfindlichkeit gegenüber aeroelastischen Effekten wie Flattern oder aerodynamisch angeregten Schwingungen führt. Moderne Schaufelstrukturen mit ihrer erhöhten Flexibilität sind anfälliger für instationäre Phänomene wie Fluid-Struktur-Wechselwirkungen und Wechselwirkungen zwischen Schaufelreihen. Werden solche Schwingungen mit hohen Amplituden nicht erkannt, stellen sie ein Risiko sowohl für die aeroelastische Stabilität als auch für die strukturelle Integrität der Schaufeln dar.

Lösungsansätze/Zielsetzung

In diesem Zusammenhang widmen wir uns aeroelastischen Herausforderungen bei der Weiterentwicklung von emissionsmindernden Antriebssystemen für die Luftfahrt und energieeffizienten Flugzeugkonstruktionen. Unser Ziel ist es, unser Verständnis der aeroelastischen Effekte zu vertiefen, Methoden zur genauen aber auch schnelleren Identifizierung und Vorhersage kritischer Aspekte zu entwickeln und diese Methoden durch gezielte Experimente zu validieren.

Unsere Anstrengungen konzentrieren sich auf:

• Verbesserung des Verständnisses der physikalischen Mechanismen, die hinter instationären aerodynamischen Vorgängen stehen.
• Untersuchung von Kopplungseffekten zwischen Fluiddynamik und Strukturdynamik.
• Berücksichtigung von nichtlinearen aerodynamischen und strukturellen Effekten bei der Vorhersage des aeroelastischen Verhaltens von Triebwerksschaufeln (siehe Abbildungen 3-4).
• Analyse der aeroelastischen Effekte von Triebwerksschaufeln in extremen Betriebsbereichen, z. B. in der Nähe der Pumpgrenze.
• Bewertung der aeroelastischen Eigenschaften neuartiger Triebwerkskonzepte, wie z. B. Triebwerke mit Grenzschichteinsaugung.
• Verbesserung der Triebwerksintegration in den Flugzeugentwurf, um aerodynamische Störungen abzuschwächen und die Auswirkungen aeroelastischer Phänomene wie Flattern und aerodynamische Anregungen zu unterdrücken bzw. verringern.

Numerische Modellierungsmethoden

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, konzentriert sich ein wesentlicher Teil unserer Forschung auf die Entwicklung und geeignete Auswahl fortschrittlicher numerischer Modellierungsmethoden. Es werden Simulationen durchgeführt, um die strukturellen und aerodynamischen Aspekte aeroelastischer Probleme zu analysieren. Genaue Methoden vertiefen unser Verständnis der beteiligten physikalischen Phänomene und bieten wertvolle Einblicke in mögliche Potentiale zur Optimierung des aeroelastischen Verhaltens von Triebwerkskomponenten und Flugzeugsystemen. Obwohl die Genauigkeit von entscheidender Bedeutung ist, erkennen wir auch den Bedarf an schnellen Methoden während der Triebwerksauslegungsphase an. Diese Methoden beschleunigen den Entwurfsprozess für Schaufeln erheblich, indem sie gleichzeitige und parallele Arbeiten in allen Bereichen ermöglichen, auch wenn sie zu Lasten der Genauigkeit gehen.

Validierung durch Experimente

Ein weiterer Teil unserer Arbeiten konzentriert sich auf die Validierung und Definition der Grenzen dieser numerischen Ansätze. Daher sind gut definierte, qualitativ hochwertige und gezielte Experimente ein wesentlicher Bestandteil unserer Strategie. Das Institut für Aeroelastik betreibt eine einzigartige Versuchsanlage für nicht rotierende, Ringgittertestmodelle, die speziell auf die Untersuchung der Aeroelastik von Turbomaschinenschaufeln zugeschnitten ist.

Diese Anlage dient mehreren Zwecken:

1. Sammlung qualitativ hochwertiger aeroelastischer Daten an Verdichter- und Turbinenschaufelreihen zum Vergleich mit numerischen Methoden und zu Validierungszwecken
2. Ermöglichung von einfachen und grundlegenden Untersuchungen verschiedener aeroelastischer Phänomene von Turbomaschinenschaufeln
3. als wertvolle Plattform für die Entwicklung von Messverfahren und die Erprobung neuer experimenteller Ansätze