Wie reagieren moderne Flugzeugtriebwerke auf Seitenwind?
28. August 2025 | Testergebnisse zu Fan-Einlauf-Wechselwirkungen
Wie reagieren moderne Flugzeugtriebwerke auf Seitenwind?
Das INFRa-Testrig an der TU Braunschweig
Um die Fan-Einlaufwechselwirkungen besser zu verstehen, haben das IFAS und das DLR-Institut für Antriebstechnik mit Unterstützung des DLR-Instituts für Bauweisen und Strukturtechnologie gemeinsam ein Fan-Einlauf-Testrig entwickelt. Der Prüfstand wird im Windkanal des IFAS an der TU Braunschweig betrieben und simuliert einen Teil eines modernen Flugzeugtriebwerks: den Nebenstromkanal, durch den viel Luft außen um den Triebwerkskern herumgeführt wird.
Credit:
TU Braunschweig, IFAS
Das haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt gemeinsam mit der TU Braunschweig und der Leibniz Universität Hannover in einer Testanlage in einem Windkanal, einer kleineren Version eines echten Triebwerks, untersucht. Dabei zeigte sich, dass sich die Luftströmung je nach Betriebspunkt und Stärke des Seitenwindes ablöst. Außerdem schwingen die Fanschaufeln durch die unterschiedliche Anströmung der Luft. Der Seitenwind kann somit die Effizienz und die Lebensdauer des Triebwerks reduzieren.
Moderne Turbofantriebwerke werden effizienter, wenn das Nebenstromverhältnis erhöht wird. Damit ist die Luft gemeint, die um das Kerntriebwerk herumgeleitet wird. Mit einem höheren Nebenstromverhältnis, erhöhen sich allerdings gleichzeitig die Durchmesser des Fans und des Einlaufs. Das macht das Triebwerk wiederum insgesamt schwerer. Um das zusätzliche Gewicht teilweise auszugleichen, wird untersucht wie Triebwerkseinläufe effizient verkürzt werden können. Die Herausforderungen liegen vor allem darin, dass kürzere Einläufe die Luft, die in das Triebwerk strömt, weniger gut homogenisieren können und, dass der Fan mit gestörten Zuströmbedingungen arbeitet. Das heißt der Fan bekommt „ungleichmäßig“ Luft. Hier gibt es durch die räumlich enge Kopplung der Komponenten eine verstärkte Fan-Einlauf-Wechselwirkung.
Wie reagieren moderne Flugzeugtriebwerke auf Seitenwind? Das haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt gemeinsam mit der TU Braunschweig und der Leibniz Universität Hannover in einer Testanlage in einem Windkanal, einer kleineren Version eines echten Triebwerks, untersucht. Dabei zeigte sich, dass sich die Luftströmung je nach Betriebspunkt und Stärke des Seitenwindes ablöst. Außerdem schwingen die Fanschaufeln durch die unterschiedliche Anströmung der Luft. Der Seitenwind kann somit die Effizienz und die Lebensdauer des Triebwerks reduzieren.
INFRa-Rig TU Braunschweig IFAS
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INFRa-Rig TU Braunschweig IFAS
Wie reagieren moderne Flugzeugtriebwerke auf Seitenwind? Das haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt gemeinsam mit der TU Braunschweig und der Leibniz Universität Hannover in einer Testanlage in einem Windkanal, einer kleineren Version eines echten Triebwerks, untersucht. Dabei zeigte sich, dass sich die Luftströmung je nach Betriebspunkt und Stärke des Seitenwindes ablöst. Außerdem schwingen die Fanschaufeln durch die unterschiedliche Anströmung der Luft. Der Seitenwind kann somit die Effizienz und die Lebensdauer des Triebwerks reduzieren.
Credit:
TU Braunschweig, IFAS
Strömungsablösung und ihre Folgen bei Seitenwind
Effiziente Triebwerke müssen jederzeit in allen Betriebspunkten, also in allen Flugphasen, optimal arbeiten. Neue Designs werden aber nicht von Beginn an auf alle Betriebspunkte ausgelegt, stattdessen werden vorher konkrete Betriebspunkte definiert, die für das neue Design grundlegend sind. Auf Basis dieses Design und der Daten, werden später die Betriebszustände in anderen Flugphasen überprüft. Ein wichtiger Betriebspunkt stellt beispielsweise der Seitenwind dar.
Seitenwind entsteht zum Beispiel bei stürmischem Wetter, wenn das Triebwerk seitlich angeströmt wird. Dann wird die Luft seitlich in das Triebwerk eingesaugt. Damit ist eine starke Beschleunigung um die Einlauflippe im Bereich der windzugewandten Seite verbunden. Die Umströmung der Einlauflippe kann bei hohen Seitenwindgeschwindigkeiten zu Strömungsablösungen führen. Bei Strömungsablösungen folgt die Luft nicht mehr Oberfläche. Diese Störung kann verschiedene Probleme verursachen:
Der Fan kann weniger Schub erzeugen.
Es kann zu Schwingungen kommen, die das Material oder Bauteile beschädigen können.
Das Fan-Einlauf-Testrig: Ein verkleinertes Triebwerk im Windkanal
Um die Fan-Einlaufwechselwirkungen besser zu verstehen, haben das IFAS und das DLR-Institut für Antriebstechnik mit Unterstützung des DLR-Instituts für Bauweisen und Strukturtechnologie gemeinsam ein Fan-Einlauf-Testrig entwickelt. Der Prüfstand wird im Windkanal des IFAS an der TU Braunschweig betrieben und simuliert einen Teil eines modernen Flugzeugtriebwerks: den Nebenstromkanal, durch den viel Luft außen um den Triebwerkskern herumgeführt wird. Die Testanlage ist etwa dreimal kleiner als ein echtes Triebwerk und bildet ein Triebwerk mit einem Nebenstromverhältnis von 10 bis 12 nach. Das entspricht heutigen effizienten Flugzeugtriebwerken. Damit wird die experimentelle Erforschung von Fan-Einlaufwechsel-Wirkungen unter realistischen Betriebsbedingungen ermöglicht.
Der Windkanal selbst besteht aus zwei Strömungskanälen, die sich im Bereich des Testrigs kreuzen.
Der Hauptwindkanal besteht aus einer offenen Teststrecke und ermöglicht Strömungsgeschwindigkeiten von Mach 0 bis 0,2.
Der Seitenwindkanal hingegen ist eine geschlossene Teststrecke und ermöglicht Seitenwindgeschwindigkeiten von bis zu 40 Knoten.
Mit diesem Versuchsaufbau können kontrollierte Seitenwindbedingungen in dem Testbereich eingestellt werden, die experimentelle Versuche ermöglichen.
Seitenwind Testkampagne am INFRa-Testrig
Messkampagne mit Seitenwindzuströmung im Windkanal: Dabei wurde über den gesamten Kennfeldbereich die aerodynamische und aeroelastische Interaktion der Komponenten bei Seitenwind analysiert und Seitenwindwindgeschwindigkeiten von bis zu 38 Knoten Seitenwind erfolgreich vermessen.
Das Forschungsteam hat eine erste Messkampagne mit Seitenwindzuströmung im Windkanal durchgeführt. Dabei wurde über den gesamten Kennfeldbereich die aerodynamische und aeroelastische Interaktion der Komponenten bei Seitenwind analysiert und Seitenwindwindgeschwindigkeiten von bis zu 38 Knoten Seitenwind erfolgreich vermessen.
Der Einlauf löst in Abhängigkeit von der Seitenwindgeschwindigkeit und dem Fanbetriebspunkt ab.
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Der Einlauf löst in Abhängigkeit von der Seitenwindgeschwindigkeit und dem Fanbetriebspunkt ab.
Der Einlauf löst in Abhängigkeit von der Seitenwindgeschwindigkeit und dem Fanbetriebspunkt ab. Die Größe und Intensität der Ablösung variierten.
Infolgedessen sinken sowohl Fandruckverhältnis als auch isentroper Wirkungsgrad ab.
Im Vergleich zu einer Durchströmgondel wird der Wiederanlegepunkt der Ablösung durch die Interaktion mit dem Fan stromauf geschoben. Die Fanschaufel erreicht (definierte) Materialgrenzwerte bei Resonanzfahrten mit Seitenwind.
Die Fanschaufel zeigt zusätzlich nicht-synchrone Schwingungen, die durch die oszillerende Ablöseblase im Einlauf angeregt werden.
Im weiteren Verlauf werden die im Rahmen der Testkampagne erhobenen experimentellen Daten weiter ausgewertet. Darüber hinaus ist geplant, bei Folgekampagnen genauere Daten zur Einlaufströmung zu erheben. Dies erfolgt beispielsweise durch den Einsatz optischer Messtechnik.
