Historische Entwicklung: An der Technischen Universität Braunschweig wurde unter der Leitung von Herrn Prof. Dr.-Ing. Dragan Kožulovic eine detaillierte aerodynamische Bewertung von Turbomaschinenkomponenten in Flugtriebwerken durchgeführt und die Arbeitsgruppe Aerodynamik der Turbomaschinen gegründet. Diese war zunächst am Institut für Strömungsmechanik und ab 2013 am Institut für Flugantriebe und Strömungsmaschinen angesiedelt. Innerhalb der Arbeitsgruppe wurden aerodynamische Fragestellungen zur Profilaerodynamik und Sekundärströmungen, der instationäre Rotor-Stator-Wechselwirkung und der Grenzschichttransition von Verdichter und Turbine behandelt. Die Arbeitsgruppe hat hierbei methodisch sowohl Verfahren zur numerischen Simulation (uRANS) weiterentwickelt, wie auch die vorhandenen Versuchsanlagen betrieben. Nach dem Weggang von Herrn Prof. Dr.-Ing. Dragan Kožulovic an die HAW Hamburg wurde die Arbeitsgruppe kommissarisch von Herrn Prof. Dr.-Ing Jens Friedrichs geleitet. Im Mai 2018 wurde die Arbeitsgruppe im Rahmen der Mobilise Maßnahme in die Nachwuchsgruppe Skalenauflösende Aerodynamik der Strömungen in Turbomaschinen - Komponenten und Schaufeln umbenannt und ist Teil der neugeschaffenen Arbeitsgruppe Turbomaschinen Aerodynamik und Performance unter der Leitung von Herrn Dr.-Ing. Christoph Bode.
Die Nachwuchsgruppe Skalenauflösende Aerodynamik der Strömungen in Turbomaschinen - Komponenten und Schaufeln beschäftigt sich zum einen mit der skalenauflösenden Detailuntersuchung auf Bauteilebene (Fan, Verdichter und Turbine). Hierzu zählen experimentelle Detailuntersuchungen der Profil- und Seitenwandströmungen von neuen und betriebsbedingt aufgerauten Verdichter- und Turbinenschaufeln und dem Einfluss deren Aerodynamik auf die Leistung der Komponenten. Zum anderen werden hierzu konventionelle und hochauflösende Simulationsverfahren ergänzend eingesetzt. Neben dem weiteren Verständnis der Aerodynamik von Turbomaschinenbauteilen und -komponenten ist ein wesentliches Ziel eine verbesserte Modellbildung für numerische Verfahren reduzierter Ordnung für die aerodynamische Bewertung neuer und auch gebrauchter Turbomaschinen und deren Komponenten und Bauteilen bereitzustellen.
Aktuell wird sich innerhalb der Nachwuchsgruppe mit der Verbesserung des Verständnisses der Spaltströmung von variablen Statoren in einem Hochdruckverdichter und der in der Stufe entnommenen Zapfluft, wie sie in Gasturbinen zur Kühlung der Turbine und zur Versorgung des Sekundärluftsystems mit verdichteter Luft zum Einsatz kommt beschäftigt. Das Verbundvorhaben in Kooperation mit Rolls Royce Deutschland beschäftigt sich mit der Integration neuer Konzepte der Zapfluftentnahme in der Gasturbine. Es werden sowohl CFD Simulationen zur Beurteilung der aerodynamischen Eigenschaften sowie die Erprobung der Geometrien im Gitterwindkanal und Niedergeschwindigkeits-Axialverdichter (LSRC) durchgeführt. Ziel des Vorhabens ist es das Verständnis der Strömungsvorgänge von Spaltströmung der variablen Statoren in Kombination mit einer verbesserten Zapfluftentnahmegeometrie für variable Betriebspunkte zu erweitern und den Entwurf weiter zu entwickeln, um mit reduzierter Verdichterzapfluftmenge den Wirkungsgrad des Gesamtprozesses zu erhöhen und den robusten Betrieb der Gasturbine unter Teillastbedingen mit variablen Statoren zu garantieren.
Abbildung1: Nachlaufebene eines Verdichtergitters ohne (links) und mit Zapfluftentnahme (Mitte) sowie Messstrecke LSRC inkl. Zapfluftentnahme Stator (rechts), (IFAS, Bode)
Als weiteres Projekt beschäftigt sich die Nachwuchsgruppe neben der Auslegung von Neuteilen auch mit dem betriebsbedingten Verschleiß von Turbomaschinen. Während des operativen Einsatzes verschleißt ein Flugzeugtriebwerk. Dadurch wird die Performance des Triebswerks und damit auch der Wirkungsgrad reduziert. Durch regelmäßige Wartung des Triebwerks kann der Verschließ teilweise rückgängig gemacht werden. Für eine speziell auf das Triebwerk angepasste Wartung werden Modelle benötigt, mit denen das Betriebsverhalten eines Triebwerkes innerhalb eines Betriebszykluses, in Abhängigkeit der Mission, vorhergesagt werden kann. Dafür ist ein Verständnis der wesentlichen Wirkmechanismen erforderlich.
Am IFAS wird speziell das Fouling des Verdichters untersucht. Fouling bezeichnet die Ablagerung kleiner (~ 2 - 10 µm) Partikel (z. B. Rauch, Öl oder Salz) aus der Umgebungsluft auf den Verdichterschaufeln. Durch die Ablagerungen wird die Oberflächenrauhigkeit der Schaufeln erhöht und deren Geometrie verändert.
Zur Untersuchung des Foulings werden repräsentative Schaufelgeometrien mit Fouling-Topologie erstellt und sowohl experimentell als auch numerisch untersucht. Dafür werden stationäre Messungen am Gitterwindkanal durchgeführt. Die gewonnenen Erkenntnisse werden dann hinsichtlich einer Übertragbarkeit für instationäre Strömungen am LSRC weitergehend untersucht. Abschließend sollen die Ergebnisse von einzelnen Stufen auf den gesamten Verdichter skaliert werden.
Abbildung2: HPC-Wirkungsgrad über der Zeit für zwei Triebwerke einer Flotte (links) und Oberflächentopologie aufgrund von Verschleiß (rechts), (IFAS, Bode)
Projekte:
BMWI LuFo V - „ProTherm“ Prognose der thermodynamischen Alterung von Flugtriebwerken unter Betriebsbedingungen, AP 1.2 Verdichter – Fouling. In Zusammenarbeit mit Lufthansa Technik, ANSYS Germany und DLR. Laufzeit: 01.01.2018-31.03.2021
BMWI AG Turbo ECOFLEX 1.1.2 „Verbundvorhaben: Flex_Verdi – Flexible Verdichter; Teilvorhaben: Seitenwandströmungen von Statoren bei radial umverteilter Kanalströmung“ In Zusammenarbeit mit Rolls Royce Deutschland. Laufzeit: 01.09.2018-31.08.2022
BMVI: Nationales Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP) Verbundvorhaben „ARIEL: Aufladung für Brennstoffzellensysteme durch interdisziplinär entwickelte Elektrische Luftverdichter“; Teilvorhaben: „Multidisziplinäre Systembetrachtung eines elektrischen Luftverdichters“ In Zusammenarbeit mit VW Salzgitter, der Ostfalia Wolfenbüttel, dem TFD der LUH, dem iMAB, dem iAF und dem IWF der TUBS. Laufzeit: 01.06.2019-31.10.2021
Kellersmann A, Reitz G, Friedrichs J.(2018): Sensitivity Analysis of BLISK Airfoil Wear, International Journal of Turbomachinery, Propulsion and Power. 2018; 3(2):14
Budziszewski, N.; Friedrichs, J. Modelling of A Boundary Layer Ingesting Propulsor. Energies 2018, 11, 708. DOI: 10.3390/en11040708
Kellersmann A, Weiler S, Bode C, Friedrichs J, Städing J, Ramm G. Surface Roughness Impact on Low-Pressure Turbine Performance Due to Operational Deterioration. ASME. J. Eng. Gas Turbines Power. 2018;140(6):062601-062601-7. DOI: 10.1115/1.4038246 (Vortrag und Paper bei der ASME Turbo Expo 2017 in Charlotte USA).
Bode, C.; Friedrichs, J.; Frieling, D.; Herbst, F. (2017): Improved Turbulence Prediction in Turbomachinery Flows and The Effect on Three-Dimensional Boundary Layer Transition, International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery ISROMAC 2017, 16-21 December, 2017, Maui, Hawaii DOI: 10.3390/ijtpp3030018
Peer-review Conference:
Göing, J.; Lück, S.; Bode, C.; Friedrichs, J.: “SIMULATION OF THE IMPACT OF A DETERIORATED HIGH-PRESSURE COMPRESSOR ON THE PERFORMANCE OF A TURBOFAN ENGINE USING A PSEUDO BOND GRAPH MODELLING APPROACH” Global Power and Propulsion Society (GPPS) Conference 2019, Beijing, China, September 16th-18th, 2018, Paper No. GPPS-BJ-2019-0160.
Lück, S.; Kuntzagk, S.; Doebbener, G.; Kellersmann, A.; Bode, C.; Friedrichs, J.: Accuracy Assessment of Steady and Unsteady Multistage High Pressure Compressor Simulations, ASME Turbo Expo 2019 in Phoenix, Arizona, USA, June 17-21, 2019, Paper No. GT2019-91310
Göing, J.; Kellersmann, A.; Bode, C.; Friedrichs, J.: Jet Propulsion Engine Modelling Using Pseudo Bond Graph Approach, ASME Turbo Expo 2019 in Phoenix, Arizona, USA, June 17-21, 2019, Paper No. GT2019-90420
Göing, J.; Kellersmann, A.; Bode, C.; Friedrichs, J.: „ System dynamics of a single - shaft turbojet engine using pseudo bond graph “, In H. P. Kreplin, Editor, New Results in Numerical and Experimental Fluid Mechanics XII: Contributions to the 21th STAB/DGLR Symposium Darmstadt, Germany, 2018, Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design, Springer.
Schwarzbach F.; Müller-Schindewolffs Ch.; Bode, Ch.; Herbst, F. (2018): Effect of the Turbulent Scales on Low-Pressure Turbine Cascade Aerodynamics Part B: Scale Resolving Simulations, Proceedings of the ASME Turbo Expo 2018, 11-15 June, 2018, Oslo, Norway, GT2018-75163
Aufderheide, T.; Friedrichs, J.; Becker, B.: Effects of Secondary Air Removal on the Aerodynamic Behaviour of Compressor Cascade Flow. Proceedings of GPPS Forum 18 Global Power and Propulsion Society, 10.-12-Januar 2018, Zürich
Aufderheide, T.; Stark, U.; Frantzheld, P.; Friedrichs, J.: Experimental and numerical investigations of a linear turbine cascade with sweep and dihedral. ISROMAC 2017 - 17th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery, Maui, USA, Dec 16-21, 2017
Leiter der Arbeitsgruppe Turbomaschinen Aerodynamik und Performance Leiter der Nachwuchsgruppe Skalenauflösende Aerodynamik der Strömungen in Turbomaschinen - Komponenten und Schaufeln
