DLRmagazin 170 Titelstory

Erst rech­nen, dann flie­gen

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Triebwerkstest real und virtuell
Trieb­werks­test re­al und vir­tu­ell
Bild 1/3, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Triebwerkstest real und virtuell

Ne­ben dem vir­tu­el­len wird im DLR auch das rea­le Trieb­werk ge­tes­tet, wie hier auf dem M2VP-Prüf­stand (Mehr­stu­fen-Zwei­wel­len-Axi­al­ver­dich­ter-Prüf­stand) des In­sti­tuts für An­triebs­tech­nik in Köln
Darstellung eines virtuellen Triebwerks
Dar­stel­lung ei­nes vir­tu­el­len Trieb­werks
Bild 2/3, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Darstellung eines virtuellen Triebwerks

Ziel der For­schen­den ist es, das vir­tu­el­le Trieb­werk so rea­li­täts­nah wie mög­lich zu ge­stal­ten. Da­zu wird spe­zi­el­le Soft­ware ent­wi­ckelt, die große Re­chen­leis­tung braucht.
DLR-Institute, die zum virtuellen Triebwerk beitragen können
DLR-In­sti­tu­te, die zum vir­tu­el­len Trieb­werk bei­tra­gen kön­nen
Bild 3/3, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

DLR-Institute, die zum virtuellen Triebwerk beitragen können

Im Fach­aus­schuss Vir­tu­al En­gi­ne (FA­VE) be­ra­ten die DLR-Luft­fahrt-In­sti­tu­te über die wei­te­re Ent­wick­lung Be­reich vir­tu­el­les Trieb­werk.

Wie das virtuelle Triebwerk die Forschung bereichern kann.

Ein Beitrag aus dem DLRmagazin 170

Das Triebwerk ist das Herz eines jeden Flugzeugs, ohne wäre es unmöglich die schweren Hightech-Vögel in den Himmel zu heben. Schon seit Jahrzehnten arbeiten die DLR-Luftfahrt-Institute daran, es stetig zu verbessern. Doch seit geraumer Zeit verändert sich der Fokus der Forschung: Die beiden DLR-Wissenschaftler Stanislaus Reitenbach und Dr. Kai Becker sind sich sicher, dass die zukünftige Luftfahrt nicht ohne Simulationen und digitale Modelle auskommen wird – besonders beim Triebwerk. Stanislaus Reitenbach arbeitet in der Abteilung Triebwerk des Instituts für Antriebstechnik in Köln, während Kai Becker sich am Institut für Test und Simulation für Gasturbinen mit Aspekten einer dafür notwendigen Plattform beschäftigt. Im DLRmagazin sprechen sie darüber, wofür man das virtuelle Triebwerk braucht und wie es in das reale Flugzeug gelangt.

Was kann ich mir unter einem virtuellen Triebwerk vorstellen?

Reitenbach: Wie viele andere Branchen befindet sich auch das Segment Luftfahrt im Wandel zur Digitalisierung. Dabei werden die komplexen Systeme der realen Welt, wie das Triebwerk, in die virtuelle Welt überführt. Das virtuelle beziehungsweise digitale Triebwerk beinhaltet alle geometrischen und physikalischen Merkmale eines Antriebssystems. Um es zu „bauen“, nutzen wir computergestützte Entwurfswerkzeuge und numerische Simulationsmethoden. Und wir berücksichtigen alle Disziplinen, also zum Beispiel Aerodynamik, Strukturmechanik und Thermodynamik. Wir verstehen es als eine Plattform, mit der wir disziplinübergreifende Fragestellungen beantworten können. Mit ihr können wir das gesamte System kontinuierlich berechnen und bewerten. Letztendlich soll es alle Stufen des Lebens- und Entwicklungszyklus eines realen Triebwerks widerspiegeln.

Es spielen also viele Fachdisziplinen in die Konstruktion mit hinein. Für wen ist ein solches Modell interessant?

Dr. Kai Becker
Dr. Kai Becker
arbeitet am DLR-Institut für Test und Simulation für Gasturbinen in Augsburg und sieht in der stärkeren Vernetzung der beteiligten Institute eine wichtige Voraussetzung für das Thema virtuelles Triebwerk.
Becker: Das hängt von der Fragestellung ab. Generell kann man sagen: Für alle, die mit einem Triebwerk zu tun haben – sei es in der Entwicklung über die Produktion bis hin zur Erprobung und Zertifizierung, da gehören auch Fertigung, Vertrieb und Wartung dazu. Wir sehen auch starkes Interesse seitens der Industrie an diesem Produkt. Alle bekannten Triebwerkshersteller beschäftigen sich mit diesem Bereich. Wie das virtuelle Triebwerk dann letztendlich aussieht, ist abhängig davon, welche Informationen für den Nutzer oder die Nutzerin interessant sind. Unterschiedliche Methoden haben verschiedene Detailgrade: Es gibt aufwändige 3D-Berechnungen oder weniger detaillierte Leistungsrechnungen. Diese Informationen fügen wir zusammen und erstellen das individuell passende Modell.

Das bringt mich zu der Frage, wie der aktuelle Stand der Forschung ist.

Reitenbach: Obwohl das Thema noch ziemlich neu ist, gibt es schon wegweisende Entwicklungen. Das DLR arbeitet an disziplinübergreifenden Simulationsverfahren, die hochgenaue Vorhersagen zu verschiedenen Aspekten des Antriebssystems machen können und schon jetzt in der Industrie für echte Produkte eingesetzt werden. Darüber hinaus haben wir eine Plattform entwickelt, auf der verschiedene Forschungsbereiche gemeinsam an einem Modell mit einheitlicher Datenbasis arbeiten können. Um alles zusammenzubringen, haben wir im DLR den Fachausschuss Virtual Engine, FAVE, gegründet. Hier beraten die DLR-Luftfahrt-Institute über die weitere Entwicklung in diesem Bereich.

Becker: An vielen verschiedenen Themenfeldern forscht das DLR schon seit Jahrzehnten. Das Neue ist, dass wir die gemeinschaftliche Bearbeitung in den Fokus stellen und die Produktphasen untereinander verknüpfen wollen. Nicht umsonst hat das DLR in den letzten Jahren Institute gegründet, die sich auf den Bereich virtuelles Triebwerk fokussieren: Neben dem Institut für Test und Simulation für Gasturbinen auch die Institute für Elektrifizierte Luftfahrtantriebe, für Instandhaltung und Modifikation oder für Softwaremethoden zur Produkt-Virtualisierung. Durch die digitale Plattform ändert sich zudem auch die Arbeitsweise: Wir entfernen uns von einer klassischen sequenziellen Abarbeitung, bei der man mit der ersten Phase beginnt, zum Beispiel dem Vorentwurf, wenn diese abgeschlossen ist, folgt die zweite Phase, also der Detailentwurf. Nun arbeiten die einzelnen Disziplinen eng zusammen, mehrere Prozesse laufen parallel und die Informationen werden über die Phasen hinweg ausgetauscht und gespeichert. Außerdem können wir auf bestehende Informationen zugreifen, wenn ein neues Triebwerk entwickelt werden soll. Das ist eine sehr spannende Entwicklung.

Gibt es Beispiele, wo das virtuelle Triebwerk schon eingesetzt wird?

Becker: In meinem und anderen Instituten haben wir Prüfstände, zwar nicht für das ganze Triebwerk, aber für Komponenten. Von diesen Komponenten möchten wir ein virtuelles Abbild haben, um Test und Simulation miteinander vergleichen zu können. Die Modelle können wir dann auf das Gesamtsystem übertragen und sehen, welche Wechselwirkungen zwischen den Komponenten auftreten und welche Auswirkungen sie haben.

Reitenbach: Das DLR baut keine Triebwerke, aber es unterstützt schon jetzt sowohl die Industrie als auch seine Forschungsbereiche in allen Phasen des Produktlebenszyklus, also sowohl bei dem Entwurf als auch bei der Fertigung durch Methoden des virtuellen Triebwerks. Neben den Prüfständen beschäftigen sich auch Forschungsgruppen mit vorausschauenden Wartungsprozessen oder dem digitalen Zwilling. Aber auch in der Industrie ist das Thema virtuelles Triebwerk allgegenwärtig, das zeigen zahlreiche Kooperationen und gemeinsame neue Projekte, die in den vergangenen Jahren ins Leben gerufen wurden.

Wie wird das virtuelle Triebwerk eigentlich mit dem realen verknüpft?

Stanislaus Reitenbach
Stanislaus Reitenbach
arbeitet am DLR-Institut für Antriebstechnik und ist sich sicher, dass das virtuelle Triebwerk Entwicklungs- und Konstruktionsprozesse drastisch verändern wird und dabei hilft, die hochgesteckten Ziele der Luftfahrtindustrie zu erreichen.
Reitenbach: Letztendlich gelangt es nur indirekt in das reale Flugzeug. Dabei stehen vor allem zwei Aspekte im Vordergrund: der ökologische sowie der ökonomische Nutzen. Neue leistungsfähige numerische Verfahren und deren Einsatz im virtuellen Modell des gesamten Antriebssystems helfen, reale Triebwerke hinsichtlich Energieverbrauch oder Wartbarkeit zu verbessern. Auf der anderen Seite, und das ist der ökonomische Nutzen, ermöglichen uns die innovativen und hochvernetzen Prozesse des virtuellen Triebwerks, die langen und kostenintensiven Produktentwicklungszeiten mit sehr zeitaufwändigen und risikobehafteten Tests bis zur Markteinführung deutlich zu reduzieren.

Becker: Was sich wirklich lohnt, ist, sich die Wechselwirkungen zwischen verschiedensten Aspekten anzuschauen, seien es die Interaktionen zwischen Komponenten oder auch deren Auswirkungen auf den Gesamtwirkungsgrad, den Verbrauch oder Ähnliches. Diese kann man dann an den Zielen messen, die sich die Luftfahrt gesetzt hat, beispielsweise ökologischer zu werden.

Und gibt es auch Grenzen? Also Fragen, für die man das reale Triebwerk benötigt?

Reitenbach: Eins ist klar: Mit dem virtuellen Triebwerk werden wir in der Realität nicht fliegen. Obwohl die Simulationsverfahren und -methoden bereits viele physikalische Aspekte abbilden und voraussagen können, bleiben die Prüfstände, Versuche und Daten aus dem Betrieb essenziell, um die hohen Sicherheitsanforderungen auch in Zukunft zu gewährleisten. Trotzdem kann das virtuelle Triebwerk dabei helfen, die immensen Kosten, die bei den realen Versuchen und den komplexen Wartungsprozessen entstehen, zu reduzieren. Das virtuelle Triebwerk ist kein Selbstzweck, sondern ein Mittel, um die ambitionierten Ziele der Luftfahrt zu erreichen.

Becker: Es ist ein virtuelles Abbild, also eine Sammlung von digitalen Informationen sowie von numerischen Verfahren. Dieses Abbild kann natürlich nur so gut sein wie die Qualität der Simulationstools, die verwendet werden. Um die numerischen Verfahren zu validieren, benötige ich experimentelle Daten. Diese kann ich nur von einem realen Triebwerk gewinnen.

Das hört sich nach einer schwierigen Aufgabe an. Was sind die nächsten Schritte? Wann wird das virtuelle Triebwerk als Werkzeug für Industrie und Forschung einsetzbar sein?

Reitenbach: Wir haben unsere Prüfstände und wir haben unsere virtuellen Methoden. In Zukunft müssen diese beiden Bereiche deutlich näher aneinanderrücken. Ein Begriff, der in diesem Zusammenhang immer wieder fällt, ist der digitale Prüfstand. Ich glaube, dahin führt die Reise: Heute sind wir bereits in der Lage, alle wichtigen Komponenten der Flugtriebwerke mit hochgenauen Simulationsverfahren interdisziplinär zu optimieren. Mit jedem weiteren Entwicklungsschritt, mehr integrativen Methoden und virtuellen Betriebsszenarien kommen wir dem effizienten, sicheren, leisen und nahezu klimaneutralen Antrieb näher. Bei der Lösung dieser äußerst herausfordernden Problemstellung wird uns das virtuelle Triebwerk extrem helfen.

Becker: Die hierfür entwickelten Konzepte und Ideen wollen wir zudem auch in verwandten Themenfeldern einsetzen.

Die Fragen stellte Dr. Anne Zilles. Sie arbeitet in der Programmkoordination Digitalisierung und unterstützt im Auftrag der Luftfahrt den Fachausschuss Virtual Engine.

Verschiedene Strömungssimulationen
Verschiedene Strömungssimulationen
Die Software TRACE wurde am DLR-Institut für Antriebstechnik entwickelt und ermöglicht numerische Experimente und tiefgreifende Analysen von Turbomaschinenströmungen.

Forschung an zukünftigen Triebwerken

Initiiert durch den FAVE (Fachausschuss Virtual Engine) und unter Beteiligung von elf Instituten startet das DLR im Bereich der Luftfahrt ab diesem Jahr das Projekt ADAPT (Assessment and Digitalization of forthcoming Propulsion Technologies). Im Verlauf der vierjährigen Projektlaufzeit (2022–2025) sollen dabei zwei Zielrichtungen verfolgt werden: der kollaborative, multidisziplinäre Entwurf von zukünftigen Triebwerkskonzepten und die damit verbundenen Studien zu den entsprechenden Schlüsseltechnologien sowie die Digitalisierung des Triebwerksystems in Richtung der Vision einer „Virtual Engine“ mittels numerischer Simulationen und einer intelligenten Verknüpfung von Softwaretools.

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  • Julia Heil
    Deut­sches Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR)

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