18. Juli 2019

Schall­ge­schwin­dig­keit in Zeit­lu­pe – Neue Mess­tech­nik für die Trieb­werks­for­schung

Transsonischer Gitterwindkanal
Trans­so­ni­scher Git­ter­wind­ka­nal
Bild 1/4, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Transsonischer Gitterwindkanal

Trans­so­ni­scher Git­ter­wind­ka­nal des DLR In­sti­tuts für An­triebs­tech­nik in Köln.
Animation der Strömung
Ani­ma­ti­on der Strö­mung
Bild 2/4, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 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, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Laser während der Messung

Op­ti­scher Ver­suchsauf­bau mit fo­kus­sier­tem Pul­sla­ser­strahl im Ver­dichter­schau­fel­git­ter.
Gesamtansicht des Gitterwindkanals
Ge­samt­an­sicht des Git­ter­wind­ka­nals
Bild 4/4, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 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.

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    Deut­sches Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR)

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  • Dr. Christian Willert
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