Als Resultat umfangreicher Entwicklungen in den letzten Jahrzehnten finden Bürstendichtungen, als Alternative zu konventionellen Labyrinthdichtungen, vermehrt Anwendung in Flugantrieben, wie auch in stationären Gas- und Dampfturbinen. Beim Einsatz der Bürstendichtungen ist ein Anstreifen des Borstenpakets auf der Rotoroberfläche als Folge der Relativbewegungen zwischen Rotor und Stator im Betrieb nicht auszuschließen. Die erzeugte Reibwärme im Kontaktbereich nimmt Einfluss auf die Haltbarkeit der Dichtungen und die Stabilität des Rotorsystems. Eine bis heute nicht abschließend geklärte Fragestellung ist die Quantifizierung der Reibwärme, insbesondere unter hohen axialen Druckdifferenzen, wie sie in Hoch- und Mitteldruckdampfturbinen vorkommen. Eine präzise Abschätzung der Reibleistungen und der Aufteilung der Wärmeströme in Abhängigkeit unterschiedlicher Betriebsbedingungen und unterschiedlicher Bauarten der Dichtungen ist, aufgrund fehlender Untersuchungsergebnisse, bisher nur unter vereinfachenden Annahmen möglich.
Daher ist es Ziel dieser Arbeit, experimentelle Daten für die Abschätzung der Reibleistung unter für Dampfturbinen typischen Betriebsparametern bereitzustellen. Hierzu wurden experimentelle Anstreifuntersuchungen mit Bürstendichtungen unter Heißdampfbeaufschlagung, bei unterschiedlichen Differenzdrücken und Drehzahlen, wie auch variierenden Rotor-Stator-Exzentrizitäten, durchgeführt. Zur Betrachtung der Reibwärmeerzeugung wurde ein neues Rotorkonzept mit integrierten Temperaturmessstellen innerhalb der Laufflächen der Bürstendichtungen für den Heißdampfdichtungsprüfstand des Instituts für Flugantriebe und Strömungsmaschinen (IFAS) der TU Braunschweig entwickelt. In den Versuchen wurden ausgewählte Bürstendichtungen mit unterschiedlichen Designmerkmalen in unterschiedlicher Anordnung über einem Zeitraum von mehreren hundert Betriebsstunden unter transienten Versuchsbedingungen untersucht. Begleitende Untersuchungen an der institutseigenen Mess- und Prüfeinrichtung gaben Aufschluss über die Borstenpaketsteifigkeiten und den Verschleiß der untersuchten Bürstendichtungen.
Aus den Anstreifversuchen ging eine mit zunehmender Überdeckung, bei gleichbleibender Druckdifferenz, zunehmende Reibleistung der Bürstendichtungen und eine zunehmende Rotorerwärmung hervor. Mit Steigerung des Differenzdrucks konnte, bei gleichem Exzentrizitätsniveau, allgemein eine höhere Reibleistung als Folge der Druckversteifung der Borstenpakete, sowie eine höhere Rotorerwärmung nachgewiesen werden. In Abhängigkeit der unterschiedlichen Designparameter der Bürstendichtungen und der unterschiedlichen Steifigkeiten der Borstenpakete wurden unter gleichen Versuchsrandbedingungen Unterschiede in den Temperaturentwicklungen aufgezeigt. Mit der Gegenüberstellung der Ergebnisse der untersuchten Tandemanordnungen konnte dargestellt werden, dass eine höhere Elastizität des Borstenpakets zu einer gleichmäßigeren und höheren Rotorerwärmung führt.
Aktualisiert: 2023-06-08
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Das volle Leichtbaupotential von Faser-Kunststoff-Verbunden wird aufgrund von Ungenauigkeiten bei der Vorhersage des Materialverhaltens zumeist unzureichend ausgenutzt. In der vorliegenden Dissertation wird daher eine analytische Methode entwickelt, die die Evolution von Zwischenfaserbrüchen (ZFB) unter quasi-statischer und zyklischer biaxialer Belastung realitätsgetreuer als bisherige Methoden auf mesoskopischer Ebene nachbildet (progressive damage Modell).
Die Modellierung des Werkstoffverhaltens erfolgt abhängig von der äußeren Belastung für die Phasen der Rissinitiierung und des Risswachstums. Eine Shear Lag-Analyse wird zur Abbildung der Rissinitiierung herangezogen. Davon unabhängig erfolgt die Modellierung des Risswachstums auf Basis der Energiefreisetzungsrate. Grundlage der Modellierung ist die Annahme, dass die im Verbundwerkstoff vorliegenden Inhomogenitäten und die daraus hervorgehende Festigkeitsverteilung unabhängig von der Belastungsart sind. Unter dieser Annahme werden die mittels einer Weibull-Verteilungsfunktion generierten Festigkeitsverteilungen aus quasi-statischen Untersuchungen auf Ermüdungsuntersuchungen übertragen. Eine Funktion zur Minderung der Festigkeitsverteilung ermöglicht die Modellierung des Ermüdungsverhaltens.
Zur Validierung des Berechnungsmodells wird ein umfangreiches experimentelles Versuchsprogramm anhand von nominell störungsfreien Flach- und Rohrprobekörpern aus endlos glasfaserverstärktem Kunststoff durchgeführt. Hierzu werden Herstellungsverfahren für Flach- und Rohrprobekörper mit beliebiger Laminatschichtausrichtung (weiter-)entwickelt. Eine Software zur Auswertung von Rissbildern wird programmiert sowie der Einfluss von ZFB auf angrenzende Laminatschichten untersucht. Die experimentellen Untersuchungen erfolgen auf Umgebungstemperatur. Die Ermüdungsversuche erfolgen bei einer Frequenz f=5 Hz im Zugschwellbereich (R=0,1).
Die experimentellen Untersuchungen zeigen das aus der Literatur bekannte Werkstoffverhalten hinsichtlich der ZFB Entwicklung und der Steifigkeitsdegradation. Basierend auf den experimentellen Ergebnissen ist es möglich beide Berechnungsmodelle zu validieren. Der mesoskopische Modellierungsansatz ermöglicht folglich die realitätsgetreuere qualitative und quantitative Modellierung der Schädigungsevolution unter quasi-statischer Belastung sowie im ersten Bereich desErmüdungslebens eine Faser-Kunststoff-Verbundes.
Aktualisiert: 2023-06-01
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Als Resultat umfangreicher Entwicklungen in den letzten Jahrzehnten finden Bürstendichtungen, als Alternative zu konventionellen Labyrinthdichtungen, vermehrt Anwendung in Flugantrieben, wie auch in stationären Gas- und Dampfturbinen. Beim Einsatz der Bürstendichtungen ist ein Anstreifen des Borstenpakets auf der Rotoroberfläche als Folge der Relativbewegungen zwischen Rotor und Stator im Betrieb nicht auszuschließen. Die erzeugte Reibwärme im Kontaktbereich nimmt Einfluss auf die Haltbarkeit der Dichtungen und die Stabilität des Rotorsystems. Eine bis heute nicht abschließend geklärte Fragestellung ist die Quantifizierung der Reibwärme, insbesondere unter hohen axialen Druckdifferenzen, wie sie in Hoch- und Mitteldruckdampfturbinen vorkommen. Eine präzise Abschätzung der Reibleistungen und der Aufteilung der Wärmeströme in Abhängigkeit unterschiedlicher Betriebsbedingungen und unterschiedlicher Bauarten der Dichtungen ist, aufgrund fehlender Untersuchungsergebnisse, bisher nur unter vereinfachenden Annahmen möglich.
Daher ist es Ziel dieser Arbeit, experimentelle Daten für die Abschätzung der Reibleistung unter für Dampfturbinen typischen Betriebsparametern bereitzustellen. Hierzu wurden experimentelle Anstreifuntersuchungen mit Bürstendichtungen unter Heißdampfbeaufschlagung, bei unterschiedlichen Differenzdrücken und Drehzahlen, wie auch variierenden Rotor-Stator-Exzentrizitäten, durchgeführt. Zur Betrachtung der Reibwärmeerzeugung wurde ein neues Rotorkonzept mit integrierten Temperaturmessstellen innerhalb der Laufflächen der Bürstendichtungen für den Heißdampfdichtungsprüfstand des Instituts für Flugantriebe und Strömungsmaschinen (IFAS) der TU Braunschweig entwickelt. In den Versuchen wurden ausgewählte Bürstendichtungen mit unterschiedlichen Designmerkmalen in unterschiedlicher Anordnung über einem Zeitraum von mehreren hundert Betriebsstunden unter transienten Versuchsbedingungen untersucht. Begleitende Untersuchungen an der institutseigenen Mess- und Prüfeinrichtung gaben Aufschluss über die Borstenpaketsteifigkeiten und den Verschleiß der untersuchten Bürstendichtungen.
Aus den Anstreifversuchen ging eine mit zunehmender Überdeckung, bei gleichbleibender Druckdifferenz, zunehmende Reibleistung der Bürstendichtungen und eine zunehmende Rotorerwärmung hervor. Mit Steigerung des Differenzdrucks konnte, bei gleichem Exzentrizitätsniveau, allgemein eine höhere Reibleistung als Folge der Druckversteifung der Borstenpakete, sowie eine höhere Rotorerwärmung nachgewiesen werden. In Abhängigkeit der unterschiedlichen Designparameter der Bürstendichtungen und der unterschiedlichen Steifigkeiten der Borstenpakete wurden unter gleichen Versuchsrandbedingungen Unterschiede in den Temperaturentwicklungen aufgezeigt. Mit der Gegenüberstellung der Ergebnisse der untersuchten Tandemanordnungen konnte dargestellt werden, dass eine höhere Elastizität des Borstenpakets zu einer gleichmäßigeren und höheren Rotorerwärmung führt.
Aktualisiert: 2023-05-30
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Das volle Leichtbaupotential von Faser-Kunststoff-Verbunden wird aufgrund von Ungenauigkeiten bei der Vorhersage des Materialverhaltens zumeist unzureichend ausgenutzt. In der vorliegenden Dissertation wird daher eine analytische Methode entwickelt, die die Evolution von Zwischenfaserbrüchen (ZFB) unter quasi-statischer und zyklischer biaxialer Belastung realitätsgetreuer als bisherige Methoden auf mesoskopischer Ebene nachbildet (progressive damage Modell).
Die Modellierung des Werkstoffverhaltens erfolgt abhängig von der äußeren Belastung für die Phasen der Rissinitiierung und des Risswachstums. Eine Shear Lag-Analyse wird zur Abbildung der Rissinitiierung herangezogen. Davon unabhängig erfolgt die Modellierung des Risswachstums auf Basis der Energiefreisetzungsrate. Grundlage der Modellierung ist die Annahme, dass die im Verbundwerkstoff vorliegenden Inhomogenitäten und die daraus hervorgehende Festigkeitsverteilung unabhängig von der Belastungsart sind. Unter dieser Annahme werden die mittels einer Weibull-Verteilungsfunktion generierten Festigkeitsverteilungen aus quasi-statischen Untersuchungen auf Ermüdungsuntersuchungen übertragen. Eine Funktion zur Minderung der Festigkeitsverteilung ermöglicht die Modellierung des Ermüdungsverhaltens.
Zur Validierung des Berechnungsmodells wird ein umfangreiches experimentelles Versuchsprogramm anhand von nominell störungsfreien Flach- und Rohrprobekörpern aus endlos glasfaserverstärktem Kunststoff durchgeführt. Hierzu werden Herstellungsverfahren für Flach- und Rohrprobekörper mit beliebiger Laminatschichtausrichtung (weiter-)entwickelt. Eine Software zur Auswertung von Rissbildern wird programmiert sowie der Einfluss von ZFB auf angrenzende Laminatschichten untersucht. Die experimentellen Untersuchungen erfolgen auf Umgebungstemperatur. Die Ermüdungsversuche erfolgen bei einer Frequenz f=5 Hz im Zugschwellbereich (R=0,1).
Die experimentellen Untersuchungen zeigen das aus der Literatur bekannte Werkstoffverhalten hinsichtlich der ZFB Entwicklung und der Steifigkeitsdegradation. Basierend auf den experimentellen Ergebnissen ist es möglich beide Berechnungsmodelle zu validieren. Der mesoskopische Modellierungsansatz ermöglicht folglich die realitätsgetreuere qualitative und quantitative Modellierung der Schädigungsevolution unter quasi-statischer Belastung sowie im ersten Bereich desErmüdungslebens eine Faser-Kunststoff-Verbundes.
Aktualisiert: 2023-05-25
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Das volle Leichtbaupotential von Faser-Kunststoff-Verbunden wird aufgrund von Ungenauigkeiten bei der Vorhersage des Materialverhaltens zumeist unzureichend ausgenutzt. In der vorliegenden Dissertation wird daher eine analytische Methode entwickelt, die die Evolution von Zwischenfaserbrüchen (ZFB) unter quasi-statischer und zyklischer biaxialer Belastung realitätsgetreuer als bisherige Methoden auf mesoskopischer Ebene nachbildet (progressive damage Modell).
Die Modellierung des Werkstoffverhaltens erfolgt abhängig von der äußeren Belastung für die Phasen der Rissinitiierung und des Risswachstums. Eine Shear Lag-Analyse wird zur Abbildung der Rissinitiierung herangezogen. Davon unabhängig erfolgt die Modellierung des Risswachstums auf Basis der Energiefreisetzungsrate. Grundlage der Modellierung ist die Annahme, dass die im Verbundwerkstoff vorliegenden Inhomogenitäten und die daraus hervorgehende Festigkeitsverteilung unabhängig von der Belastungsart sind. Unter dieser Annahme werden die mittels einer Weibull-Verteilungsfunktion generierten Festigkeitsverteilungen aus quasi-statischen Untersuchungen auf Ermüdungsuntersuchungen übertragen. Eine Funktion zur Minderung der Festigkeitsverteilung ermöglicht die Modellierung des Ermüdungsverhaltens.
Zur Validierung des Berechnungsmodells wird ein umfangreiches experimentelles Versuchsprogramm anhand von nominell störungsfreien Flach- und Rohrprobekörpern aus endlos glasfaserverstärktem Kunststoff durchgeführt. Hierzu werden Herstellungsverfahren für Flach- und Rohrprobekörper mit beliebiger Laminatschichtausrichtung (weiter-)entwickelt. Eine Software zur Auswertung von Rissbildern wird programmiert sowie der Einfluss von ZFB auf angrenzende Laminatschichten untersucht. Die experimentellen Untersuchungen erfolgen auf Umgebungstemperatur. Die Ermüdungsversuche erfolgen bei einer Frequenz f=5 Hz im Zugschwellbereich (R=0,1).
Die experimentellen Untersuchungen zeigen das aus der Literatur bekannte Werkstoffverhalten hinsichtlich der ZFB Entwicklung und der Steifigkeitsdegradation. Basierend auf den experimentellen Ergebnissen ist es möglich beide Berechnungsmodelle zu validieren. Der mesoskopische Modellierungsansatz ermöglicht folglich die realitätsgetreuere qualitative und quantitative Modellierung der Schädigungsevolution unter quasi-statischer Belastung sowie im ersten Bereich desErmüdungslebens eine Faser-Kunststoff-Verbundes.
Aktualisiert: 2023-05-25
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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%.
Aktualisiert: 2023-05-18
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Aktuelle politische, regulatorische und industrielle Bestrebungen unterstreichen das Potenzial von unbemannten Luftfahrzeugen für den flächendeckenden Einsatz in fast allen Branchen. Dies wird in Bezug auf die gesellschaftliche Akzeptanz und die regulatorischen Bestrebungen nur möglich sein, wenn gleichzeitig mindestens ein gleichbleibendes Sicherheitsniveau für die Luftfahrt eingehalten werden kann. Ein wesentlicher Aspekt an dem heute noch geforscht wird, ist die sichere Integration von unbemannten Luftfahrzeugen in den Luftraum. Allein durch eine Festlegung von maximalen Flughöhen können Konfliktpotenziale nicht vollständig ausgeschlossen werden, da beispielsweise Hubschrauber regelmäßig in den untersten Lufträumen agieren. Daher war das Ziel dieser Arbeit, einen geeigneten Algorithmus zu implementieren und zu bewerten, der es ermöglicht, unbemannte Luftfahrzeuge automatisiert so im Luftraum zu führen, dass stets eine minimale Separation zu anderen Luftfahrtteilnehmern sichergestellt werden kann. Hierfür wurde nach einer anfänglichen Untersuchung bestehender Ansätze ein Algorithmus auf Basis von Geschwindigkeitshindernissen im Detail vorgestellt und umgesetzt. Für eine grundlegende Untersuchung der Eignung dieses Ansatzes wurden zunächst systematisch Simulationen durchgeführt. Hierbei wurde auf verschiedene Aspekte eingegangen, die bei einer realen Umsetzung beachtet werden müssen. So wurden Latenzen, Ortungsfehler, verschiedene Zeithorizonte und Besonderheiten bei der Separation gegenüber bemanntem Luftverkehr näher untersucht. Anschließend wurde ein Experimentalsystem umgesetzt, um den Ansatz in realistischen Szenarien zu erproben und somit die Praxistauglichkeit bewerten zu können. Mithilfe dieses Systems war es möglich, die vollständig automatisierte Separation gegenüber unbemannten und bemannten Luftfahrzeugen in der Praxis zu erproben und zu evaluieren. Somit konnte eine grundlegende Eignung des Ansatzes bewiesen und das zukünftige Entwicklungspotenzial des Systems dargestellt werden.
Aktualisiert: 2023-05-11
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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%.
Aktualisiert: 2023-05-09
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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%.
Aktualisiert: 2023-05-09
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Faser-Kunststoff-Verbunde zeichnen sich durch ihr hohes Leichtbaupotential aus, ihr Einsatz erfordert in der Strukturentwicklung allerdings tiefergehendes Verständnis des Konstruktionsmaterials und der Fertigungsprozesse. Speziell in der Interaktion von Struktur und Produktion finden sich verschiedene Herausforderungen. Häufiger Gegenstand von Forschungsarbeiten sind Abhängigkeiten im lokalen Detail, z. B. die Einflüsse von Prozessparametern und Fertigungsfehlern auf Materialeigenschaften. Weitere Interaktion liegt in globalen Zusammenhängen: Gewählte Prozessketten schränken den Gestaltungsraum des Entwicklers ein und bestimmen sowohl mechanische Eigenschaften des Produktes als auch die Kostenstruktur der Produktion. Die Entwicklung mit dem Ziel produktionsgerechter Leichtbaustrukturen muss diese Zusammenhänge in den Fokus nehmen.
Ein Ansatz zur Integrierten Entwicklung wird beschrieben, mit dem Produktionsaspekte frühzeitig einbezogen werden können. Es wird dafür ein Vorgehen definiert, das von Beginn an mit interdisziplinären Konzepten arbeitet, die im Weiteren schrittweise ausgelegt werden und von denen sich jeweils nur die vielversprechendsten für den nächsten Schritt qualifizieren. Die ersten Schritte in diesem Vorgehen sind von fundamentaler Wichtigkeit, weshalb auf ihnen der Fokus der durchgeführten Untersuchungen liegt. Als durchgängiges Anwendungsbeispiel dient die Entwicklung einer versteiften Seitenschale eines Flugzeugrumpfes aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff.
Die Konzepterzeugung verfolgt einen systematischen Ansatz. Ein Morphologischer Kasten ist nach Konzeptmerkmalen aus den Bereichen Struktur und Produktion gegliedert und beinhaltet für diese jeweils unterschiedliche Ausprägungen als alternative Teillösungen. Konsequenz der interdisziplinären Betrachtung in der Konzepterzeugung ist ein erheblich vergrößerter Lösungsraum.
Für die Konzeptbewertung werden Analyse- und Optimierungsmethoden untersucht. Eine Kombination der Auslegung mit Optimalitätskriterien und lokalen Optimierungen ermöglicht einen Kompromiss zwischen Auslegungsgüte und Berechnungsaufwand, der es erlaubt, die vollständige Lösungsmenge in den Attributen Produktionskosten und Strukturmasse zu bewerten. Es wird diesbezüglich die Ausdehnung der Lösungsmenge, die ausgebildete Pareto-Front und der Einfluss der alternativen Teillösungen der einzelnen Konzeptmerkmale betrachtet. Die Ergebnisse werden mit denen einer Rumpfunterschale mit geänderter Lastsituation verglichen. Die Bestimmung der Auslegungsgüte erfolgt durch den Vergleich mit einer höherwertigen aber auch aufwändigen Referenzmethode und definiert den Vertrauensbereichs der durchgeführten Bewertung. Der Vertrauensbereich wird genutzt, um die Lösungsmenge auf diejenigen Konzepte zu reduzieren, die in späteren Entwicklungsschritten weiterbetrachtet werden sollen.
Zur Konzeptauswahl werden unterschiedliche Optimierungsverfahren in der Anwendung auf der bewerteten Lösungsmenge verglichen. Als Optimierungsproblem ist die Kombination von Teillösungen aus dem Morphologischen Kasten aufbereitet. Die betrachteten Optimierungsverfahren sind ein Evolutionärer Algorithmus, das Simulated Annealing und das Branch and Bound. Zu jedem Verfahren wird ein Algorithmus mit Parametern konfiguriert, deren Abstimmung umfangreich untersucht ist. Letztlich wird aufgezeigt, welches Verfahren am leistungsfähigsten ist, zum einen bei der schnellen Suche des bestbewerteten Konzeptes und zum anderen beim Finden der Lösungsmenge, die in nachfolgenden Entwicklungsschritten weiterbetrachtet werden soll.
Die vorgestellten Methoden geben dem Entwickler die Möglichkeit, systematisch, automatisiert und mit geringem Berechnungsaufwand in einer frühen Phase der Entwicklung die aussichtsreichsten Konzepte zu bestimmen, sodass er seine weiteren Arbeiten auf diese konzentrieren kann. Durch den systematischen Ansatz in der Konzepterzeugung sind hierbei auch Konzepte berücksichtigt, die andernfalls ggfs. unentdeckt blieben. Die Konzeptauswahl reduziert den Aufwand für den nächsten Entwicklungsschritt um über eine Größenordnung.
Aktualisiert: 2023-03-23
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Eine häufige Anwendung von Axialventilatoren ist, Luft durch Wärmeübertrager zu saugen. Die daraus resultierende Einbausituation kann die Zuströmung zum Ventilator und in Folge dessen die aeroakustische Schallentstehung, insbesondere im tieffrequenten Bereich, beeinflussen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, ein Beamformingverfahren auf Basis von Mikrofonarraydaten zur Schallquellenlokalisation in solch einer Einbausituation zu entwickeln. Dieses soll reale Schallausbreitungsbedingungen in Form von beliebigen, maßgeschneiderten Greenschen Funktionen berücksichtigen können.
Aus dem Stand der Technik ergibt sich, dass es zwei Klassen von Verfahren zur rotierenden Schallquellenlokalisation gibt. In der ersten Klasse wird das Fokusgitter mitrotiert und die Schallausbreitung zwischen den Fokuspunkten und den Mikrofonen wird zeitabhängig modelliert. Bei Verfahren der zweiten Klasse werden die Mikrofone virtuell in Rotation versetzt. Es gibt jedoch kein rotierendes Beamformingverfahren, dass beliebige, maßgeschneiderte Greensche Funktionen berücksichtigen kann. Deshalb wird ein neues Beamformingverfahren, das RoBeaT (Rotating Beamforming using Tailored Green's functions) Verfahren, entwickelt, welches zeitabhängig maßgeschneiderte Greensche Funktionen in den Beamformingprozess einbeziehen kann.
Zur Bewertung des RoBeaT Verfahrens wird es mit zwei rotierenden Beamformingverfahren aus der Literatur, dem ROSI und dem VRA Verfahren, verglichen. Diese beiden Verfahren werden zunächst in Bezug auf ihre Anforderungen an die zeitliche und räumliche Abtastung des Schallfelds im Vergleich zu stationärem Beamforming untersucht.
Im nächsten Schritt wird das neu entwickelte RoBeaT Verfahren sowohl anhand von synthetisch erzeugten als auch von experimentell im Prüfstand gemessenen Mikrofondaten validiert. Die maßgeschneiderten Greenschen Funktionen werden numerisch per Randelementeverfahren simuliert.
Aus der Validierung mit synthetisch erzeugten Mikrofonsignalen ergibt sich, dass die Point Spread Funktionen auf Basis von maßgeschneiderten Greenschen Funktionen von jenen auf Basis von Freifeld Greenschen Funktionen abweichen. Weiterhin hängen die Ergebnisse deutlich von der gewählten Steering Vektor Formulierung ab. Diese Beobachtungen werden dadurch begründet, dass in den maßgeschneiderten Greenschen Funktionen zusätzliche Informationen gegenüber den Freifeld Greenschen Funktionen vorhanden sind. Eine weitere Beobachtung ist, dass der eigentliche Rotationsalgorithmus des RoBeaT Verfahrens die tatsächlichen Quellpegel, insbesondere bei hohen Frequenzen, mit geringeren Abweichungen als das ROSI und das VRA Verfahren rekonstruiert.
Im letzten Schritt werden im Prüfstand gemessene Mikrofonarraydaten mit dem RoBeaT Verfahren ausgewertet. Bei der Auswertung von Messdaten eines einzelnen Lautsprechers wird zum einen der Quellpegel mit geringeren Abweichungen rekonstruiert, wenn maßgeschneiderte Greensche Funktionen anstelle von Freifeld Greenschen Funktionen genutzt werden. Zum anderen zeigen die Beamforming Maps bei diesem Testfall geringe Abweichungen zu den aus synthetischen Daten erzeugten Point Spread Funktionen. Darüber hinaus wird die Hauptkeulenbreite verringert. Dadurch können bei der Auswertung von Messdaten eines Ventilators die Schallquellen bei tiefen Frequenzen besser lokalisiert werden als mit den beiden Freifeld Beamforming Verfahren aus der Literatur.
Aktualisiert: 2023-02-23
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Aktuelle politische, regulatorische und industrielle Bestrebungen unterstreichen das Potenzial von unbemannten Luftfahrzeugen für den flächendeckenden Einsatz in fast allen Branchen. Dies wird in Bezug auf die gesellschaftliche Akzeptanz und die regulatorischen Bestrebungen nur möglich sein, wenn gleichzeitig mindestens ein gleichbleibendes Sicherheitsniveau für die Luftfahrt eingehalten werden kann. Ein wesentlicher Aspekt an dem heute noch geforscht wird, ist die sichere Integration von unbemannten Luftfahrzeugen in den Luftraum. Allein durch eine Festlegung von maximalen Flughöhen können Konfliktpotenziale nicht vollständig ausgeschlossen werden, da beispielsweise Hubschrauber regelmäßig in den untersten Lufträumen agieren. Daher war das Ziel dieser Arbeit, einen geeigneten Algorithmus zu implementieren und zu bewerten, der es ermöglicht, unbemannte Luftfahrzeuge automatisiert so im Luftraum zu führen, dass stets eine minimale Separation zu anderen Luftfahrtteilnehmern sichergestellt werden kann. Hierfür wurde nach einer anfänglichen Untersuchung bestehender Ansätze ein Algorithmus auf Basis von Geschwindigkeitshindernissen im Detail vorgestellt und umgesetzt. Für eine grundlegende Untersuchung der Eignung dieses Ansatzes wurden zunächst systematisch Simulationen durchgeführt. Hierbei wurde auf verschiedene Aspekte eingegangen, die bei einer realen Umsetzung beachtet werden müssen. So wurden Latenzen, Ortungsfehler, verschiedene Zeithorizonte und Besonderheiten bei der Separation gegenüber bemanntem Luftverkehr näher untersucht. Anschließend wurde ein Experimentalsystem umgesetzt, um den Ansatz in realistischen Szenarien zu erproben und somit die Praxistauglichkeit bewerten zu können. Mithilfe dieses Systems war es möglich, die vollständig automatisierte Separation gegenüber unbemannten und bemannten Luftfahrzeugen in der Praxis zu erproben und zu evaluieren. Somit konnte eine grundlegende Eignung des Ansatzes bewiesen und das zukünftige Entwicklungspotenzial des Systems dargestellt werden.
Aktualisiert: 2023-01-19
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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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Zur Verbesserung der Sicherheit, der Kosteneffizienz und des Schub-Gewicht-Verhältnisses regenerativ gekühlter Raketenbrennkammern ist ein detailliertes Verständnis der lebensdauerlimitierenden Mechanismen von entscheidender Bedeutung.
Für diesen Zweck wird in der vorliegenden Arbeit ein innovatives Lebensdauerexperiment vorgestellt. Das Experiment beinhaltet einen austauschbaren Probekörper aus CuCr1Zr, der stromabwärts einer Sauerstoff-Methan-Brennkammer mit rechteckigem Querschnitt montiert ist. Der Probekörper wird mittels überkritischen Stickstoffs in Kühlkanälen mit rechteckigen Querschnitten aktiv gekühlt. Die Belastung durch die Heißgasströmung wird zyklisch aufgeprägt, um eine thermomechanische Ermüdung der Brennkammerwand, insbesondere den sogenannten Doghouse-Effekt, zu provozieren. Dabei treten inelastische Deformationen der Heißgaswand auf, die näherungsweise proportional zur Lastzyklenzahl anwachsen und schließlich zum Versagen durch den Doghouse-Effekt führen. Die Einflüsse unterschiedlicher heißgas-, kühlkanal- und strukturseitiger Parameter auf das Temperaturfeld, die Deformationen und die Lebensdauer sowie deren Reproduzierbarkeit werden untersucht. Außerdem werden die Einflüsse begleitender Effekte, wie z.B. Abrasion und Blanching untersucht.
Die Lebensdauer ist insbesondere vom instationären Temperaturfeld der Struktur abhängig. Zu dessen Vorhersage wird eine thermisch implizit gekoppelte, pseudo-transiente Simulation einer Raketenbrennkammer, am Beispiel des Lebensdauerexperimentes, durchgeführt. Die Simulation basiert auf Approximationen der transienten Wärmeleitungsgleichung der Struktur, der Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen der neun Kühlkanalströmungen und der Flamelet-erweiterten Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen der Heißgasströmung. Die Ergebnisse stimmen hinsichtlich der Wärmeströme der Kühlkanäle und lokaler Strukturtemperaturen sehr gut mit dem Experiment überein. Die thermische Simulation vergrößert das Verständnis des Experiments und wird außerdem als Basis für eine sequentiell gekoppelte, strukturmechanische Analyse verwendet. Darin wird das ideal-plastische Verhalten des Probekörpers unter thermomechanischer Belastung untersucht.
Die experimentellen und numerischen Ergebnisse zeigen, dass der Doghouse-Effekt im Wesentlichen durch laterale Zugspannungen in der Heißgaswand kurz nach dem Ende der Heißgasphase ausgelöst wird, die sich wie folgt zusammensetzen: 1.) Eigenzugspannungen aufgrund inelastischer Stauchungen während der Heißgasphase, 2.) thermisch induzierte Zugspannungen aufgrund eines positiven Temperaturgradienten von der Heißgaswand in Richtung Rückseite und 3.) mechanisch induzierte Zugspannungen aufgrund der Kühlkanalinnendrücke. Zur Reduktion der thermisch induzierten Zugspannungen wird eine neuartige Abschaltsequenz eingeführt und experimentell untersucht.
Aktualisiert: 2022-12-31
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In der vorliegenden Arbeit werden das Strömungsfeld und das Temperaturfeld in hochgestreckten Kühlkanälen bei hohen Reynoldszahlen und bei einseitigem Wärmeeintrag charakterisiert. Die Parameter Volumenstrom, Fluidtemperatur und Wandtemperatur werden variiert und deren Einfluss auf die Strömung und das Temperaturfeld wird beschrieben.
Zuerst wird eine Einleitung in Kanalströmungen gegeben. In dem zweiten Abschnitt wird der verwendete Versuchsaufbau, der sehr hohe Reynoldszahlen und Wärmestromdichten erlaubt, beschrieben. Der dritte Abschnitt befasst sich mit der Vermessung des gemittelten Strömungsfeldes und von turbulenten Größen in dem Kanal. Die hauptsächlich verwendeten optischen, nicht-invasiven Messtechniken, wie Particle Image Velocimetry (PIV) und Particle Tracking Velocimetry (PTV), werden beschrieben. Anschließend werden die Messergebnisse diskutiert, beispielsweise die Sekundärströmungen und ihr Einfluss auf die Hauptströmungen sowie die Reynoldszahlabhängigkeit der normierten Normalspannungen.
Der vierte Abschnitt behandelt die Vermessung des Temperaturfeldes in dem Kanal mittels Laser Induzierte Fluoreszenz (LIF). Dabei wird die Farbstoffkombination Rhodamin B / Rhodamin 110 mit einem 532nm Laser als anregende Lichtquelle verwendet. Diese Messtechnik wird intensiv beschrieben und die Ergebnisse der Vermessung des Temperaturfeldes in dem Kanal, ohne und mit beheizter Wand, diskutiert. Es wird gezeigt, dass die hier verwendete Messtechnik aufgrund der verwendeten 2 Farbstoffe um den Faktor ~ 8 geringere Abweichung bei der Temperaturmessung im Vergleich zur 1 Farben Messtechnik, bedingt durch die Laserpulsvariationen, aufweist. Des Weiteren wird beispielsweise die mit steigender Wandtemperatur variierende Form der Temperaturgrenzschicht und ansteigende Länge der charakteristischen Strukturen aufgezeigt
Aktualisiert: 2022-12-31
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Abstract:
Integrity for satellite navigation solutions is becoming increasingly important as the
application of satellite navigation is expanding. Also, the amount of measurement data is
constantly increasing due to the use of multi-GNSS-constellation. The simultaneous
consideration of several GNSS constellations, such as GPS and Galileo or Glonass, increases
the availability, especially in urban scenarios, since shading by buildings can typically be
expected. A disadvantage of current integrity algorithms is the exponentially increasing
required computational power with each additional satellite. This is primarily due to there
working principle, which is often based on a derivative of the solution separation algorithm.
In this thesis an integrity algorithm is proposed which scales linearly with increasing number
of satellites.
It is based on the recognition of distribution patterns in the residuals, resulting from the
solved satellite navigation equation system.
For this purpose, a detailed analysis of the residuals and their influencing factors is carried
out. Starting at the source of the GNSS signal, the satellite, along the transmission path to
the receiver, the respective influence on the measured pseudo range is analytically
characterized and quantized.
It can be shown that noise, which originates from different sources along the signal path, is
one of the primary factors. In addition, the noise can be characterized as normally
distributed. This characteristic is transferred on to the residuals. However, this only applies
to the nominal state if there is no Hazardously Misleading Information (HMI) present.
If a soft error like an unsynchronized atomic clock on one of the satellites occurs, the
measured pseudo range of this satellite changes as well as the associated residual. The
totality of the residuals then no longer follows a normal distribution but forms groups.
Using pattern recognition based on a Gaussian Mixture Model, the groups are identified,
parameterized and their relationships to one another are analyzed. As a result, an estimate
of the integrity and of the potential disturbance in terms of quantity and type can be carried
out. In addition, a Protection Level (PL) is derived for the navigation process, which can be
used operationally together with the Alert Limit (AL).
The proposed algorithm is then verified by means of a Monte Carlo simulation and evaluated
in a Stanford diagram.
Aktualisiert: 2022-12-31
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The purpose of this work is to reproduce the cognitive and learning processes involved in the field of self-localization and the estimation of the current flight state using Machine Learning and Support Vector Machines (SVM) in particular.
A core element of many modern localization algorithms are Bayes filters. An iterative process of time and measurement updates allows the continous estimation of an aircraft's current position and state. A necessary prerequisite for this process are highly sophisticated mathematical models that describe the interpretation of sensor readings as well as the propagation of the aircraft's state in time.
Human pilots can usually accomplish this task even without explicit know\-ledge of the flight-mechanical and mathematical principles. They can replace it by previously made observations and by experience. In this work, the biologically motivated and model-free learning of functional relationships regarding the interpretation of sensory perceptions and the propagation of an aicraft's state will be mimicked by Support Vector Machines. They usually outperform classical neural networks such as the multilayer-perceptron in the field of classification and regression problems because of their very good capability to generalize.
In addition to the design of a filter architecture suited for the incorporation of Support Vector Machines, this work covers the SVM-based correction of raw data from single- and multi-sensor systems, a SVM system for propagating the state vector as well as procedures for the generation of suitable training data. Finally, a localization method is outlined that is able to determine the respective probability density functions for each time and measurement update within the Bayesian filtering process using only basic arithmetic operations.
Aktualisiert: 2022-12-31
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Abstract
The secondary air system is an important auxiliary system for safe and stable opera-
tions of modern aero engines. To supply internal and external consumers within the
secondary air system, bleed air is removed from the primary (core) flow at several
locations inside the compressor. The bleed air leaves the core compressor by bleed
off-takes on the hub and casing endwalls and high pressure air is supplied for turbine
cooling, de-icing, sealing, or cabin air. The bleed mass flow rates vary throughout the
flight cycle for each application and can be up to 30% of primary flow. The removal
of air from the compressor has a direct impact on the overall engine performan-
ce. Therefore, it is important that the off-take configuration is adapted to the flow
conditions. Main design criteria for off-take configurations are a high static pressu-
re recovery through the bleed air system and a low interaction with the primary flow.
In this thesis, experimental and numerical investigations present the interaction bet-
ween a bleed air off-take configuration and the core flow of a compressor cascade.
The experimental investigations were carried out in a low-speed cascade wind tunnel
and the experimental results are supported by numerical simulations. The off-take
configuration is a pitchwise-symmetric slot at the endwall downstream of the com-
pressor cascade. The effect of bleed air removal on the compressor cascade flow is
shown based on bleed flow rates of 4.0%, 7.8% and 14.3% of the core flow. The
results show that the secondary air removal induced a redistribution of the cascade
flow and has a strong effect on the cascade characteristics. The development of the
classical secondary flow is disturbed due to the bleed air removal and parts of the
vortices near the endwall are removed by the bleed off-take. The effect of bleed air
removal is not only limited to the region near the slot but also is present at the
opposite endwall region.
Furthermore, this thesis presents the performance of different bleed off-take configu-
ration. Based on a datum configuration, the design is adapted to the flow conditions
step-by-step. The location and shape of the pitchwise-symmetric slot at the endwall
was not part of the modification. The results show that the modification of the bleed
configuration increased the static pressure recovery by up to (delta)cp = 0, 17.
Aktualisiert: 2022-12-31
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As fiber-reinforced plastics are sensitive for interlaminar delaminations in stability-driven prob-lems the use of those in aircraft structures also leads to a higher sensitivity of these structures for stability. Consequently, such airframes are designed with relatively high safeties, e.g. in wall thicknesses or stiffeners.
Sandwich structures may contribute to a solution of this circumstance. Their large bending stiffness and the elastic foundation of the skins can improve the global buckling stability as well as local skin buckling. On the other hand, they are characterized by a complex damage tolerance behavior regarding skin delaminations. Usually, their layup is relatively thick and composed of multiple layers. This leads to an impeded detection capability of skin delaminations and empha-sizes the importance of understanding the damage tolerance behavior of sandwich structures.
In this work, the delamination behavior of sandwich structures is analyzed using a sandwich concept for a transport aircraft fuselage. It consists of an inner, main-load-carrying carbon-fiber-reinforced plastic skin, a polymer foam core and an outer thin-walled aluminium skin. A special focus of the work is put on the plastic deformation of the thin-walled metallic skin during its delamination and buckling processes as well as on the influence of the adhesive layer. Both effects have not been considered sufficiently by the current state of science so far.
Initially, the used sandwich composite is characterized regarding its fracture mechanics by numerical, analytical and experimental investigations of DCB-specimens with mode-I-dominated loading. On the one hand, relatively high variances of the deformation and failure behavior as well as the fracture toughnesses can be examined. On the other hand, a significant influence of the material plasticities on the delamination growth becomes obvious: While the static delamination growth is impeded by plastic deformation, the cyclically loaded growth is accelerated. The adhesive layer leads to higher fracture toughnesses in some cases.
Furthermore, circular delaminated sandwich specimens are analyzed under in-plane-compression loading. The growth of their skin delaminations mostly occurs suddenly and instable. It reduces the bearable load with increasing delamination size. Contrary, the influence of plastic skin deformation is more pronounced for smaller delaminations. For the numerical analy¬ses of the delaminated sandwich specimens a parametric FE-model is created. It may be implemented in existing FE-structures regardless of the FE-environment and may be used for the prediction of delamination growth. It can be shown that the deformation and buckling behavior of the aluminium skin is reproduced correctly and the experimentally determined fracture toughnesses deliver a decent failure criterion.
Finally, non-destructive testing is used for the qualitative and quantitative detection and eval-uation of the skin delaminations. Ultrasonic testing as well as thermography are characterized by a fast test rate but do not produce sufficiently exact results.
Aktualisiert: 2022-01-13
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Abstract
Positioning is a central component of many driver assistance systems and automated
driving. Requirements for the position solution vary depending on the application
in the vehicle. In the theoretical part of this thesis first deals with requirements
possibly arising in road vehicles and which realistic application scenarios
exist for a GNSS-based location module.
The current developments of further satellite navigation systems result in new options
for these GNSS-based solutions. Urban area in particular is still a challenge
due to shadowing and multi-path effects that influence the reception of satellite
signals. In this work it is examined what influence a higher number of satellites
and the combination of systems have on localization.
The challenge of using multi-constellation GNSS consists in the synchronisation
of the data. Each system refers to a different time base. In addition, the signal
frequencies and signal codings differ. This is accompanied by different signal processing
by the hardware of the receiver. As already known from the literature the
intersystem bias sent along compensates the offset between system clocks whereas
receiver-specific delays between various systems are not compensated.
In this thesis different possibilities are beeing analyzed to integrate several satellite
navigation systems into a tightly coupled positioning system with inertial sensors
and odometers. The position solution with the intersystem bias provided is
benchmarked against a separate clock error estimation and a separate intersystem
error estimation. Thereby the receiver’s clock error estimation is extended by
corresponding variables. Furthermore, a modularisation of state estimation in the
Kalman-filter fusion using multi-constellation is investigated combined with the
intersystem bias provided as well as the separate estimated clock error and separate
estimated intersystem bias.
The results show the influence of the intersystem error on position solutions and
the benefits of the intersystem error estimation. Due to the modularization in
combination with several systems only marginal changes in the position solution
can be generated. Finally, the results of the position calculation are evaluated
considering the requirements analysis.
Aktualisiert: 2021-12-31
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