Der Flugmotorenbau ist die eigentliche Wurzel der Bayerischen Motorenwerke. In diesem aufwändig ausgestatteten Band der BMW Mobilen Tradition wird die bemerkenswerte Entwicklung der BMW Flugtriebwerke von allen Seiten beleuchtet. Phantastisch bebildert und mit umfangreicher Datensammlung macht er die Faszination Luftfahrt von ihren Anfängen bis zur Neuzeit erlebbar.
Aktualisiert: 2023-06-19
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Der Flugmotorenbau ist die eigentliche Wurzel der Bayerischen Motorenwerke. In diesem aufwändig ausgestatteten Band der BMW Mobilen Tradition wird die bemerkenswerte Entwicklung der BMW Flugtriebwerke von allen Seiten beleuchtet. Phantastisch bebildert und mit umfangreicher Datensammlung macht er die Faszination Luftfahrt von ihren Anfängen bis zur Neuzeit erlebbar.
Aktualisiert: 2023-05-19
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Angesichts des hohen Nebenstromverhältnisses moderner Flugtriebwerke wird die Einführung eines Getriebes zwischen Niederdruckturbine und Fan attraktiv. Ein solches Getriebe stellt aufgrund der hohen übertragenen Leistung und den stark gegensätzlichen Forderungen nach geringem Gewicht, geringem Bauraum, hoher Zuverlässigkeit und hohem Wirkungsgrad eine große Herausforderung dar und erfordert die genaue Kenntnis aller beteiligten Vorgänge.
Einer dieser Vorgänge ist der Wärmeübergang durch Einspritzkühlung. In der vorliegenden Arbeit wird eine neuartige experimentelle Methode vorgestellt, mit der dieser am rotierenden Zahnrad ortsaufgelöst und mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann. Der Wärmeübergang wird mit dieser Methode für einen breiten Betriebsbereich ermittelt. Der Einfluss von Ölvolumenstrom, Drehzahl und Düsenwinkel auf den Wärmeübergang wird anhand dieser ortsaufgelösten Daten erstmalig beschrieben. Es zeigt sich die Existenz einer kritischen Drehzahl, bei deren Überschreitung ein deutlicher Rückgang des Wärmeübergangs auftritt. Durch Verwendung eines kinematischen Modells des Ölaufpralls können die beobachteten Zusammenhänge erklärt werden. Örtlich aufgelöste Messungen des Wärmeübergangs sind durch die vorliegende Arbeit erstmalig und für einen weiten Parameterbereich verfügbar. Dies versetzt den Entwickler in die Lage, eine ausreichende Kühlung der Zahnflanken sicherzustellen, ohne dabei Wirkungsgradverluste durch zu hohe eingesetzte Ölvolumenströme zu riskieren.
Aktualisiert: 2023-05-15
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Lagerkammern fangen das Schmieröl auf, nachdem es durch die Wälzlager im Inneren eines Flugtriebwerks geströmt ist. Durch die zur Abdichtung gegen Ölaustritt erforderliche Sperrluft bildet sich in den Lagerkammern eine Zweikomponenten-Zweiphasenströmung mit freien Oberflächen zwischen Öl und Luft aus.
Viele Aspekte der Zweiphasenströmung in Lagerkammern und des damit einhergehenden Wärmeübergangs sind noch nicht verstanden, was zu hohen Unsicherheiten bei der Auslegung und als Konsequenz zu einer Überdimensionierung des Ölsystems führt.
Hier setzt die vorliegende Arbeit an. Basierend auf Experimenten, die mit einem generischen aber in Bezug auf Dimensionen und Betriebsbedingungen für Flugtriebwerke repräsentativen Lagerkammerprüfstand am Institut für Thermische Strömungsmaschinen am Karlsruher Institut für Technologie durchgeführt wurden, wurde zunächst die Zweiphasenströmung in einer Lagerkammer anhand von Messungen der Ölfilmdicke an den Kammerwänden charakterisiert. In einem zweiten Schritt wurden die Wärmeübergänge zwischen Schmieröl und Lagerkammerwand experimentell bestimmt und ein Berechnungsansatz dafür abgeleitet. Der Ansatz erlaubt eine Vorhersage des mittleren Wärmeübergangskoeffizienten zwischen Schmieröl und Lagerkammerwand. Darüber hinaus lässt sich bewerten, wie effizient das Schmieröl für die Kühlung der Lagerkammer eingesetzt wird.
Aktualisiert: 2023-05-15
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Um den schädlichen Einfluss des Luftverkehrs auf die Umwelt zu reduzieren, wird in die Reduktion von Schadstoffemissionen durch Luftfahrtantriebe investiert. Wie vorangehende Arbeiten aufgezeigt haben, besteht ein Zusammenhang zwischen den Eigenschaften des Kraftstoffsprays, das in die Brennkammer des Triebwerks eingebracht wird, und der Entstehung von Schadstoffen bei der Verbrennung. Die Geometrie der Brennstoffdüse beeinflusst die Eigenschaften des Kraftstoffsprays und damit die Entstehung von Schadstoffen. Methoden zur Berechnung der Primärzerfallscharakteristik von Kraftstoff im Nahfeld einer Brennstoffdüse unter triebwerksrealistischen Bedingungen unterliegen jedoch erheblichen Einschränkungen.
An diesem Punkt knüpft die vorliegende Arbeit an. Das Ziel der Arbeit besteht in der Entwicklung und Anwendung einer Methodik, mit deren Hilfe der Primärzerfall an einem Airblast-Zerstäuber bei triebwerksrealistischen Bedingungen berechnet werden kann. Dazu wird auf die partikelbasierte "Smoothed Particle Hydrodynamics" (SPH) -Methode zurückgegriffen. Es wird ein Rechengebiet vorgeschlagen, das die Auflösung des Primärzerfalls an einer Kraftstoffdüse bei gleichzeitiger Minimierung des numerischen Aufwands ermöglicht. An einem konkreten Beispiel wird die Eignungder Methodik dargelegt. Anhand von Feldern des Finiten-Lyapunov-Exponenten (FTLE) wird die Interaktion zwischen Kraftstoff und Luft an der Phasengrenze analysiert und die Sensitivität der Primärzerfallscharakteristik bei Variation der Düsengeometrie untersucht.
Aktualisiert: 2023-05-15
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Die aktuellen Entwicklungen bei der Regeneration von Flugtriebwerken in der zivilen Luftfahrt zielen auf die Einführung einer zustandsbasierten Wartung ab. Dabei werden für jedes Bauteil in Abhängigkeit seines Zustandes gezielte, maßgeschneiderte Regenerationsmaßnahmen durchgeführt. Es ergibt sich die Forderung eine Regeneration basierend auf dem aktuellen Zustand, den Anforderungen des Triebwerksbetreibers und dessen zukünftige Einsatzszenarien umzusetzen. Für die Durchführung dieser Wartungsphilosophie ist ein detailliertes Wissen über die Änderungen des Bauteils aufgrund von betriebsbedingter Beanspruchung und die daraus resultierenden Effekte auf die Leistung des Bauteils notwendig. Für eine Hochdruckverdichterblisk sind vor allem die Auswirkungen und Effekte von betriebsbedingt beanspruchten Schaufeln der entscheidende Faktor für eine effektive Regeneration. In der vorliegenden Arbeit werden die Grundlagen gelegt, um eine effektive und erfolgreiche zustandsbasierteWartung an hochintegrierten Blisken durchzuführen. Dazu wurden real geflogene Blisken digitalisiert und ausgewertet. Die analysierte betriebsbedingte Beanspruchung weist eine heterogene Verteilung über den Umfang der Blisken auf. Dabei zeigt sich, dass es zu einer Kopplung verschiedener geometrischer Parameter unterschiedlicher Ausprägung an benachbarten Schaufeln kommt. Eine auf diesen Ergebnissen aufbauende Sensitivitätsanalyse für gekoppelte, benachbarte Profilschnitte zeigt, dass es dominante betriebsbedingt beanspruchte Profilparameter gibt, die Einfluss auf die Aerodynamik der benachbarten Profile ausüben. Dabei kann es zu einer ungünstigen Kopplung von unterschiedlichen Profilparametern kommen, deren Auswirkungen sich verstärken. Aufbauend auf den ermittelten Sensitivitäten kann an einer Blisk-Stufe gezeigt werden, dass es bei einer ungünstigen Kopplung von sensitiven Geometrieparametern an benachbarten Schaufeln zu einer erheblichen Verschlechterung des Wirkungsgrades und des Totaldruckverhältnisses kommen kann. Als Ergebnis der Arbeit können dominante geometrische Profilparameter benannt werden, die bei einer ungünstigen Kopplung von Blisk-Schaufeln die Leistungsfähigkeit erheblich beeinträchtigen. Daher sollten bei der Regeneration von Blisken nicht nur die zu wartende Schaufel betrachtet, sondern auch die benachbarten Schaufeln miteinbezogen werden. Dadurch kann eine kritische Kopplung von betriebsbedingt beanspruchten Schaufeln vermieden und die Leistungsfähigkeit einer Blisk wiederhergestellt werden.
Aktualisiert: 2023-01-19
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Angesichts des hohen Nebenstromverhältnisses moderner Flugtriebwerke wird die Einführung eines Getriebes zwischen Niederdruckturbine und Fan attraktiv. Ein solches Getriebe stellt aufgrund der hohen übertragenen Leistung und den stark gegensätzlichen Forderungen nach geringem Gewicht, geringem Bauraum, hoher Zuverlässigkeit und hohem Wirkungsgrad eine große Herausforderung dar und erfordert die genaue Kenntnis aller beteiligten Vorgänge.
Einer dieser Vorgänge ist der Wärmeübergang durch Einspritzkühlung. In der vorliegenden Arbeit wird eine neuartige experimentelle Methode vorgestellt, mit der dieser am rotierenden Zahnrad ortsaufgelöst und mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann. Der Wärmeübergang wird mit dieser Methode für einen breiten Betriebsbereich ermittelt. Der Einfluss von Ölvolumenstrom, Drehzahl und Düsenwinkel auf den Wärmeübergang wird anhand dieser ortsaufgelösten Daten erstmalig beschrieben. Es zeigt sich die Existenz einer kritischen Drehzahl, bei deren Überschreitung ein deutlicher Rückgang des Wärmeübergangs auftritt. Durch Verwendung eines kinematischen Modells des Ölaufpralls können die beobachteten Zusammenhänge erklärt werden. Örtlich aufgelöste Messungen des Wärmeübergangs sind durch die vorliegende Arbeit erstmalig und für einen weiten Parameterbereich verfügbar. Dies versetzt den Entwickler in die Lage, eine ausreichende Kühlung der Zahnflanken sicherzustellen, ohne dabei Wirkungsgradverluste durch zu hohe eingesetzte Ölvolumenströme zu riskieren.
Aktualisiert: 2023-04-17
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Um den schädlichen Einfluss des Luftverkehrs auf die Umwelt zu reduzieren, wird in die Reduktion von Schadstoffemissionen durch Luftfahrtantriebe investiert. Wie vorangehende Arbeiten aufgezeigt haben, besteht ein Zusammenhang zwischen den Eigenschaften des Kraftstoffsprays, das in die Brennkammer des Triebwerks eingebracht wird, und der Entstehung von Schadstoffen bei der Verbrennung. Die Geometrie der Brennstoffdüse beeinflusst die Eigenschaften des Kraftstoffsprays und damit die Entstehung von Schadstoffen. Methoden zur Berechnung der Primärzerfallscharakteristik von Kraftstoff im Nahfeld einer Brennstoffdüse unter triebwerksrealistischen Bedingungen unterliegen jedoch erheblichen Einschränkungen.
An diesem Punkt knüpft die vorliegende Arbeit an. Das Ziel der Arbeit besteht in der Entwicklung und Anwendung einer Methodik, mit deren Hilfe der Primärzerfall an einem Airblast-Zerstäuber bei triebwerksrealistischen Bedingungen berechnet werden kann. Dazu wird auf die partikelbasierte "Smoothed Particle Hydrodynamics" (SPH) -Methode zurückgegriffen. Es wird ein Rechengebiet vorgeschlagen, das die Auflösung des Primärzerfalls an einer Kraftstoffdüse bei gleichzeitiger Minimierung des numerischen Aufwands ermöglicht. An einem konkreten Beispiel wird die Eignungder Methodik dargelegt. Anhand von Feldern des Finiten-Lyapunov-Exponenten (FTLE) wird die Interaktion zwischen Kraftstoff und Luft an der Phasengrenze analysiert und die Sensitivität der Primärzerfallscharakteristik bei Variation der Düsengeometrie untersucht.
Aktualisiert: 2023-04-17
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Die Reduktion von Luftschadstoffen zum Erreichen der Klimaschutzziele ist eine der Kernherausforderungen der Luftfahrtindustrie. Hierin spielt die Optimierung der Verbrennung eine zentrale Rolle, da die benötigten hohen Energiedichten flüssiger Kraftstoffe mittelfristig nicht durch Batterien zu ersetzen sind. Begrenzender Faktor im Auslegungsprozess ist dabei die eingeschränkte Vorhersagbarkeit der Kraftstoffzerstäubung, deren Details mit bisherigen Methoden nicht zugänglich sind.
Das Ergebnis der vorliegenden Dissertation löst diese vorherrschende Fragestellung und ermöglicht erstmals eine detaillierte, aber dennoch wirtschaftliche Berechnung der Kraftstoffinjektion mittels des neuartigen Berechnungsansatzes der eingebetteten DNS. Die Methodik wird systematisch untersucht, validiert und schließlich für die Geometrie eines in Flugtriebwerken eingesetzten Airblast-Injektors umgesetzt. Erstmals gehen hieraus Einblicke in die Zerstäubung sowie Spraydaten technisch realer Bedingungen hervor.
Aktualisiert: 2021-08-18
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Lagerkammern fangen das Schmieröl auf, nachdem es durch die Wälzlager im Inneren eines Flugtriebwerks geströmt ist. Durch die zur Abdichtung gegen Ölaustritt erforderliche Sperrluft bildet sich in den Lagerkammern eine Zweikomponenten-Zweiphasenströmung mit freien Oberflächen zwischen Öl und Luft aus.
Viele Aspekte der Zweiphasenströmung in Lagerkammern und des damit einhergehenden Wärmeübergangs sind noch nicht verstanden, was zu hohen Unsicherheiten bei der Auslegung und als Konsequenz zu einer Überdimensionierung des Ölsystems führt.
Hier setzt die vorliegende Arbeit an. Basierend auf Experimenten, die mit einem generischen aber in Bezug auf Dimensionen und Betriebsbedingungen für Flugtriebwerke repräsentativen Lagerkammerprüfstand am Institut für Thermische Strömungsmaschinen am Karlsruher Institut für Technologie durchgeführt wurden, wurde zunächst die Zweiphasenströmung in einer Lagerkammer anhand von Messungen der Ölfilmdicke an den Kammerwänden charakterisiert. In einem zweiten Schritt wurden die Wärmeübergänge zwischen Schmieröl und Lagerkammerwand experimentell bestimmt und ein Berechnungsansatz dafür abgeleitet. Der Ansatz erlaubt eine Vorhersage des mittleren Wärmeübergangskoeffizienten zwischen Schmieröl und Lagerkammerwand. Darüber hinaus lässt sich bewerten, wie effizient das Schmieröl für die Kühlung der Lagerkammer eingesetzt wird.
Aktualisiert: 2023-04-17
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Developments of the last decades, latest investigations, implementations and trend analysis show: the further increase in bypass ratios of jet engines is one key to persisting efficieny improvements. Most likely this is accompanied by increase in fan diameter and concatenated decrease of the rotational frequency, stability and level of fan efficiency. This challenge can be replied by introducing a variable area fan nozzle (VAFN). Such a system requires an actuation system. VAFN Systems are typically integrated into the nacelle of an aero engine. Analogous to a VAFN, a modern thrust reverser unit (TRU) is also integrated to the nacelle and also requires an actuation system.
The thesis arouse, that reducing the number of actuation systems by combining two similar systems leads to a decrease of complexity, weight and required design space while at least maintaining the same level of safety.
Starting with the idea to this research project up to the latest results, technical solutions and the process of creating the solutions are documented in this dissertation. One of the most important objectives was to work scientifically and footloose while creating a feasible concept. As a consequence, system safety assessments and type certification investigations were important parts along with the technical design.
A comprehensive outline of potential benefits of a VAFN System, of airborne equipment development and safety analysis methods as well as selection of appropriate methods are part of the documentation. A type certificate programe enhances the technical requirements and is the foundation of the creative concept development. An innovative concept has been identified, preliminary designed and is actually part of a patenting process. The actuation systems complies with the safety and design space requirements. Although a system with an additional function is always more complex, it is less complex than two systems with one function each. The presented actuation system concept with enhanced functionality has only insignificantly more mass than a comparable TRU actuation system, and has less mass than a concept with separate actuation systems for TRU and VAFN, besides further benefits of a coupled system.
Aktualisiert: 2020-07-17
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Der Flugmotorenbau ist die eigentliche Wurzel der Bayerischen Motorenwerke. In diesem aufwändig ausgestatteten Band der BMW Mobilen Tradition wird die bemerkenswerte Entwicklung der BMW Flugtriebwerke von allen Seiten beleuchtet. Phantastisch bebildert und mit umfangreicher Datensammlung macht er die Faszination Luftfahrt von ihren Anfängen bis zur Neuzeit erlebbar.
Aktualisiert: 2023-04-19
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Due to the need to reduce noise emissions, aeroacoustic issues are becoming increasingly important alongside aerodynamic and economic requirements in the design of aircraft engines. In the context of industrial aerodynamic design, computational fluid dynamics (CFD) is already established as a robust and reliable tool. The simulation of aeroacoustic processes with such CFD methods is however extremely expensive due to the inherent properties of sound waves and therefore unsuitable for industrial application. A variety of specialised computational aeroacoustics (CAA) methods exist in the academic environment, which are specifically optimized for the simulation of acoustic processes with an acceptable computational expense. However, the applicability of each such approach is limited to very specific configurations and conditions. In this work therefore, a selection of different CAA strategies are combined to form a hybrid zonal approach, which offers an efficient simulation methodology for sound propagation and radiation including mean flow effects in complex industrial applications. An optimized high-order finite difference method is applied as a component of the hybrid CAA approach, which requires high-quality computational meshes. The generation of these becomes more and more challenging as the geometric complexity increases, eventually encountering the well-known limitations of pure block-structured grid strategies. In order to overcome this problem and to enable the generation of high-quality grids for complex, three-dimensional configurations, the overset grid technique is adopted. This is an established technique in CFD, which is adapted to the requirements of CAA approaches and implemented in the employed methodology. Using various configurations of increasing complexity, the hybrid simulation procedure is validated and its accuracy and limitations are assessed. The feasibility of the procedure for the prediction of tonal engine noise in practical application configurations is then demonstrated and evaluated. For this purpose, simulations of the sound propagation through a selection of scarfed engine intakes with varying incident flow as well as through bypass ducts with different installed components are conducted. The generic configurations employed are chosen to reflect the requirements of real engine simulations.
Aktualisiert: 2019-03-25
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