Autor: Torben Eggers

Der aktuelle Trend der Triebwerksentwicklung verfolgt die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs durch die Realisierung von Getriebefans mit sehr hohen Nebenstromverhältnissen. Die Fanstufe solcher Triebwerke arbeitet trotz geringer Umfangsgeschwindigkeiten an den Grenzen der aerodynamischen Belastung. Dabei ist die nabennahe Fanabströmung geprägt von signifikanten Sekundärströmungen. Durch die geringe Kanalhöhe am Eintritt ins Kerntriebwerk infolge steigender Nebenstromverhältnisse, nimmt diese verlustbehaftete nabennahe Fanabströmung einen größeren Anteil der Zuströmung des Kerntriebwerkes ein und beeinflusst das Eintrittsleitrad negativ. In Kombination mit verkürzten Triebwerkseinläufen, die eine höhere Sensitivität gegenüber Zuströmstörungen besitzen, kommt es bei nicht-axialer Zuströmung im Take- Off-Betriebspunkt zusätzlich zu einer höheren aerodynamischen Belastung der Fanstufe. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird das nabennahe Abströmverhalten einer UHBR-Fanstufe und der Einfluss der 3D-Schaufelgestaltung des Eintrittsleitrades bei nicht-axialer Zuströmung untersucht. Dazu wird im ersten Schritt eine skalierte Fanstufe eines modernen Getriebefans mit einem Nebenstromverhältnis von 17 ausgelegt. Die Fanstufe wird anschließend bei nichtaxialer Zuströmung simuliert und die Beeinflussung der Zuströmung durch die Wechselwirkungen zwischen Fan und Gondel numerisch untersucht. Dabei kommt es zu einer Strömungsumverteilung über den Umfang, welche die Strömung in einen Bereich des Gegendralls und des Mitdralls unterteilt. Die Zuströmung des Eintrittsleitrades wird entsprechend unterschiedlich über den Umfang beeinflusst. So kommt es bei Gegendrall zu einer Erhöhung des Verlustbeiwertes des Eintrittsleitrades um bis zu 10%. Um das Eintrittsleitrad toleranter gegenüber Zuströmströungen zu gestalten wird eine kombinierte Pfeilung und V-Stellung der Schaufel implementiert. Mit Hilfe der statistischen Versuchsplanung wird ein Metamodell zur Optimierung der Winkelkonfiguration erzeugt. Aufgrund der geringen Kanalhöhe am Eintrittsleitrad ist die radiale Strömungsumverteilung infolge der 3D-Schaufelgestaltung begrenzt. Somit ergibt sich eine Schaufel mit linearer Pfeilung und V-Stellung, um die Schaufelmitte nicht zu hoch zu belasten und damit den Betriebsbereich zu reduzieren. Abhängig von der Umfangsposition und der radialen Position mit den dort vorliegenden Winkeln, führt die 3D-Schaufelgestaltung zu einer Reduzierung oder einer Erhöhung der Verlustbeiwerte. Insgesamt kommt es jedoch zu einer Verlustreduzierung über die gesamte Schaufelreihe. So sinkt der Verlustbeiwert bei axialer Zuströmung um 6, 17% und bei einem Zuströmwinkel von 32,5° um 5,60%.

Der aktuelle Trend der Triebwerksentwicklung verfolgt die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs durch die Realisierung von Getriebefans mit sehr hohen Nebenstromverhältnissen. Die Fanstufe solcher Triebwerke arbeitet trotz geringer Umfangsgeschwindigkeiten an den Grenzen der aerodynamischen Belastung. Dabei ist die nabennahe Fanabströmung geprägt von signifikanten Sekundärströmungen. Durch die geringe Kanalhöhe am Eintritt ins Kerntriebwerk infolge steigender Nebenstromverhältnisse, nimmt diese verlustbehaftete nabennahe Fanabströmung einen größeren Anteil der Zuströmung des Kerntriebwerkes ein und beeinflusst das Eintrittsleitrad negativ. In Kombination mit verkürzten Triebwerkseinläufen, die eine höhere Sensitivität gegenüber Zuströmstörungen besitzen, kommt es bei nicht-axialer Zuströmung im Take- Off-Betriebspunkt zusätzlich zu einer höheren aerodynamischen Belastung der Fanstufe. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird das nabennahe Abströmverhalten einer UHBR-Fanstufe und der Einfluss der 3D-Schaufelgestaltung des Eintrittsleitrades bei nicht-axialer Zuströmung untersucht. Dazu wird im ersten Schritt eine skalierte Fanstufe eines modernen Getriebefans mit einem Nebenstromverhältnis von 17 ausgelegt. Die Fanstufe wird anschließend bei nichtaxialer Zuströmung simuliert und die Beeinflussung der Zuströmung durch die Wechselwirkungen zwischen Fan und Gondel numerisch untersucht. Dabei kommt es zu einer Strömungsumverteilung über den Umfang, welche die Strömung in einen Bereich des Gegendralls und des Mitdralls unterteilt. Die Zuströmung des Eintrittsleitrades wird entsprechend unterschiedlich über den Umfang beeinflusst. So kommt es bei Gegendrall zu einer Erhöhung des Verlustbeiwertes des Eintrittsleitrades um bis zu 10%. Um das Eintrittsleitrad toleranter gegenüber Zuströmströungen zu gestalten wird eine kombinierte Pfeilung und V-Stellung der Schaufel implementiert. Mit Hilfe der statistischen Versuchsplanung wird ein Metamodell zur Optimierung der Winkelkonfiguration erzeugt. Aufgrund der geringen Kanalhöhe am Eintrittsleitrad ist die radiale Strömungsumverteilung infolge der 3D-Schaufelgestaltung begrenzt. Somit ergibt sich eine Schaufel mit linearer Pfeilung und V-Stellung, um die Schaufelmitte nicht zu hoch zu belasten und damit den Betriebsbereich zu reduzieren. Abhängig von der Umfangsposition und der radialen Position mit den dort vorliegenden Winkeln, führt die 3D-Schaufelgestaltung zu einer Reduzierung oder einer Erhöhung der Verlustbeiwerte. Insgesamt kommt es jedoch zu einer Verlustreduzierung über die gesamte Schaufelreihe. So sinkt der Verlustbeiwert bei axialer Zuströmung um 6, 17% und bei einem Zuströmwinkel von 32,5° um 5,60%.

Der aktuelle Trend der Triebwerksentwicklung verfolgt die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs durch die Realisierung von Getriebefans mit sehr hohen Nebenstromverhältnissen. Die Fanstufe solcher Triebwerke arbeitet trotz geringer Umfangsgeschwindigkeiten an den Grenzen der aerodynamischen Belastung. Dabei ist die nabennahe Fanabströmung geprägt von signifikanten Sekundärströmungen. Durch die geringe Kanalhöhe am Eintritt ins Kerntriebwerk infolge steigender Nebenstromverhältnisse, nimmt diese verlustbehaftete nabennahe Fanabströmung einen größeren Anteil der Zuströmung des Kerntriebwerkes ein und beeinflusst das Eintrittsleitrad negativ. In Kombination mit verkürzten Triebwerkseinläufen, die eine höhere Sensitivität gegenüber Zuströmstörungen besitzen, kommt es bei nicht-axialer Zuströmung im Take- Off-Betriebspunkt zusätzlich zu einer höheren aerodynamischen Belastung der Fanstufe. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird das nabennahe Abströmverhalten einer UHBR-Fanstufe und der Einfluss der 3D-Schaufelgestaltung des Eintrittsleitrades bei nicht-axialer Zuströmung untersucht. Dazu wird im ersten Schritt eine skalierte Fanstufe eines modernen Getriebefans mit einem Nebenstromverhältnis von 17 ausgelegt. Die Fanstufe wird anschließend bei nichtaxialer Zuströmung simuliert und die Beeinflussung der Zuströmung durch die Wechselwirkungen zwischen Fan und Gondel numerisch untersucht. Dabei kommt es zu einer Strömungsumverteilung über den Umfang, welche die Strömung in einen Bereich des Gegendralls und des Mitdralls unterteilt. Die Zuströmung des Eintrittsleitrades wird entsprechend unterschiedlich über den Umfang beeinflusst. So kommt es bei Gegendrall zu einer Erhöhung des Verlustbeiwertes des Eintrittsleitrades um bis zu 10%. Um das Eintrittsleitrad toleranter gegenüber Zuströmströungen zu gestalten wird eine kombinierte Pfeilung und V-Stellung der Schaufel implementiert. Mit Hilfe der statistischen Versuchsplanung wird ein Metamodell zur Optimierung der Winkelkonfiguration erzeugt. Aufgrund der geringen Kanalhöhe am Eintrittsleitrad ist die radiale Strömungsumverteilung infolge der 3D-Schaufelgestaltung begrenzt. Somit ergibt sich eine Schaufel mit linearer Pfeilung und V-Stellung, um die Schaufelmitte nicht zu hoch zu belasten und damit den Betriebsbereich zu reduzieren. Abhängig von der Umfangsposition und der radialen Position mit den dort vorliegenden Winkeln, führt die 3D-Schaufelgestaltung zu einer Reduzierung oder einer Erhöhung der Verlustbeiwerte. Insgesamt kommt es jedoch zu einer Verlustreduzierung über die gesamte Schaufelreihe. So sinkt der Verlustbeiwert bei axialer Zuströmung um 6, 17% und bei einem Zuströmwinkel von 32,5° um 5,60%.