18. Juli 2019

Schallgeschwindigkeit in Zeitlupe – Neue Messtechnik für die Triebwerksforschung

Transsonischer Gitterwindkanal
Transsonischer Gitterwindkanal
Bild 1/4, Quelle: DLR (CC-BY 3.0)

Transsonischer Gitterwindkanal

Transsonischer Gitterwindkanal des DLR Instituts für Antriebstechnik in Köln.

Animation der Strömung
Animation der Strömung
Bild 2/4, Quelle: DLR (CC-BY 3.0)

Animation der Strömung

Animiertes HS-PIV Ergebnis bei 50khz Messrate aus dem TGK in Schaufelkoordinaten (Die Anströmung ist mit der x-Achse ausgerichtet). Das GIF zeigt die saugseitigen Hinterkantenumströmung der Schaufel. Es werden 25 Einzelschüsse dargestellt über eine Gesamtdauer von 500µs. Deutlich sieht man die Schwankungen relativ zum Mittelwert und auch die Größe der Strukturen in der Strömung, die man auch über die Zeit verfolgen kann.

Laser während der Messung
Laser während der Messung
Bild 3/4, Quelle: DLR (CC-BY 3.0)

Laser während der Messung

Optischer Versuchsaufbau mit fokussiertem Pulslaserstrahl im Verdichterschaufelgitter.

Gesamtansicht des Gitterwindkanals
Gesamtansicht des Gitterwindkanals
Bild 4/4, Quelle: DLR (CC-BY 3.0)

Gesamtansicht des Gitterwindkanals

Digitale Simulationen benötigen jedoch verlässliche Werte, auf denen die Berechnungsmodelle basieren. Diese Messwerte werden beispielsweise durch Strömungsversuche in Windkanälen ermittelt. Für die Qualität der numerischen Simulation ist die räumliche und zeitliche Auflösung der Strömung in den Windkanalversuchen entscheidend.

Schwerpunkte: Luftfahrt, Digitalisierung, Numerische Simulation, Triebwerksforschung

Den Ingenieuren des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Köln ist ein wichtiger Schritt zur Digitalisierung in der Luftfahrt gelungen. Mittels einer selbstentwickelten Lasermesstechnik konnten sie erstmals Strömungsschwankungen unter realitätsnahen Bedingungen - im Überschallbereich - detailliert untersuchen. Die in dem neuen Verfahren gewonnenen Daten können dazu beitragen energieeffiziente Flugzeugtriebwerke in Zukunft schneller und kostengünstiger zu entwickeln.

Die Anforderungen an moderne Flugzeugtriebwerke sind hoch: mehr Leistung, geringerer Treibstoffverbrauch, weniger Lärm und ein Minimum an Schadstoffemission. Computergestützte, virtuelle Designverfahren, sogenannte Numerische Simulationen, sind für die Entwickler neuer Triebwerksgenerationen unverzichtbar geworden, da sie schneller und kostengünstiger sind, als umfangreiche Versuche an Triebwerksprüfständen.

Neue Werte

Digitale Simulationen benötigen jedoch verlässliche Werte, auf denen die Berechnungsmodelle basieren. Diese Messwerte werden beispielsweise durch Strömungsversuche in Windkanälen ermittelt. Für die Qualität der numerischen Simulation ist die räumliche und zeitliche Auflösung der Strömung in den Windkanalversuchen entscheidend.

Das aktuelle, am DLR-Institut für Antriebstechnik in Köln weiterentwickelte Messverfahren setzt einen neuen Maßstab für valide Messdaten unter realitätsnahen Bedingungen:

Ein fokussierter Strahl eines Pulslasers beleuchtet Mikrometer kleine Partikel, die sich mit der Überschallströmung bewegen. Eine Hochgeschwindigkeitskamera zeichnet die Lageänderung der Partikel im zeitlichen Verlauf der Strömung mit einer Frequenz von 100 Kilohertz auf. Dies entspricht 100000 Bildern pro Sekunde. Bis zu einer Million dieser Bilder werden dann für die Gewinnung der Strömungsfelddaten aufgezeichnet und ausgewertet.

Anhand der so gewonnen Daten, kann die Strömung in den einzelnen Komponenten des Triebwerks genau untersucht werden. Besonders die zeitliche Schwankung der Strömungsgeschwindigkeit auf Grund der Turbulenz (instationäre Effekte) können auf diese Weise detailliert dokumentiert und ausgewertet werden.

Die aktuellen Versuche fanden an einem Verdichterschaufelgitter, bei Mach 1,12, statt. Die Messtechnik lässt sich jedoch an allen Komponenten des Triebwerks verwenden, so dass ein bislang unerreichtes Verständnis der Strömungsphänomene möglich wird.

Neue Grenzen

Die genauere Kenntnis der Strömungsvorgänge ermöglicht es, bisher im Triebwerksbau geltende Betriebsgrenzen präziser zu definieren. Ein Beispiel dafür ist die Definition der sogenannten Pumpgrenze. Wird das jeweils maximal mögliche Druckverhältnis im Verdichter erreicht, beginnt er „zu pumpen“. Die dabei entstehenden Druckstöße können die Verdichterbeschaufelung beschädigen, oder gar zerstören und führen zu unmittelbarem Schubverlust des Triebwerks. Ist eine präzise Simulation der Pumpgrenze möglich, kann der Sicherheitsabstand im Betrieb enger gefasst werden und die nutzbare Leistung des Triebwerks wird dadurch zugleich optimiert.

Die Verbesserung der numerischen Simulationen trägt zu schnelleren Innovationszyklen bei der Entwicklung neuer Triebwerksgenerationen bei. Vor dem Hintergrund einer Laufzeit von Flugzeugtriebwerken von 20 bis 30 Jahren, wird aktiv an einer Verbesserung der luftfahrtbedingten Emissionen der kommenden Jahrzehnte mitgewirkt. Das Forschungsprojekt folgt somit den vom Advisory Council for Aviation Research and innovation in Europe (ACARE) definierten Zielen für die Entwicklung des Luftverkehrs bis 2050.

Kontakt
  • Michel Winand
    Kommunikation Köln, Bonn, Jülich, Rheinbach und Sankt Augustin
    Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

    Politikbeziehungen und Kommunikation
    Telefon: +49 2203 601-2144
    Linder Höhe
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  • Dr.–Ing. Alexander Hergt
    Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
    Institut für Antriebstechnik
    Fan und Verdichter
    Linder Höhe
    51147  Köln
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  • Dr. Christian Willert
    Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
    Institut für Antriebstechnik
    Triebwerksmesstechnik
    Telefon: +49 2203 601-2308
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