Kerntriebwerksverdichtertechnologie für verbesserten Operationsbereich und mechanischen Auslegungsprozess bei angestrebter kompakter Bauweise und hohen Verdichteraustrittstemperaturen - KOmpakt

Abstract

Zur Steigerung der Effizienz von Flugzeuggasturbinen und der damit einhergehenden Senkung des spezifischen Brennstoffverbrauchs und Senkung der CO2 Emissionen nehmen die Bypassverhältnisse zur Maximierung des anteiligen Mantelstroms und die Leistungsdichten im Kerntriebwerk für hohe thermische Wirkungsgrade bei kleiner werdenden Verdichtern zu. Die hohen Druckverhältnisse im Kerntriebwerk und der Einsatz von „more electric“ Komponenten erfordern • einen erweiterten Betriebsbereich des Verdichters durch erhöhte Druckverhältnisse, • hochtemperaturbeständige Werkstoffe auf den hinteren Verdichterstufen • und robuste Auslegungsmethoden für die kompakten Rotoren in integraler Bliskbauweise zur Ermöglichung von leistungsstarken kleinen Kerntriebwerken. Es wurden aero-mechanische Rotorauslegungsmethoden für mehrstufige Verdichter unter Berücksichtigung von Kopplungsmoden zwischen benachbarten Stufen entwickelt und in mechanischen Tests validiert. Die gewonnenen Erkenntnisse mündeten in erweiterte Auslegungsprozesse und –kriterien, die einen sicheren Einsatz von Blisken auf den hinteren Verdichterstufen ermöglichen. Als Resultat der höheren Gesamtdruckverhältnisse zur Brennstoffeinsparung und der Entnahme mechanischer Wellenleistung des Triebwerks zur Wandlung in elektrische Leistung für externe Luftsysteme steigen die Anforderungen an die Verdichterstabilität und die Verdichteraustrittstemperaturen, welche durch Änderung und Erprobung der Bauform variabler Statoren zur Stabilitätssteigerung und neue Werkstoffentwicklung und Fügetechniken zur Verwendung bei hohen Einsatztemperaturen adressiert wurden. Die kleinen Kerntriebwerke erfordern ein verbessertes Verständnis der Brennkammerzuströmung für stabile Emissionswerte über den Lebenszyklus und den Betriebsbereich. Diese Schnittstelle zwischen Verdichter und Brennkammer wurde analysiert und hinsichtlich der Robustheit für die schadstoffarme Verbrennung optimiert. Die erweiterten Möglichkeiten der Geometriegestaltung durch neue Fertigungsmethoden wurden genutzt, um die zur Stabilitätssteigerung und Wirkungsgradverbesserung des Verdichters optimierten Zapfluftentnahmen zu integrieren. In Zusammenarbeit mit dem etablierten Forschungsnetzwerk und klein und mittelständischen Unternehmen wurden die Verdichtertechnologien für konkurrenzfähige zukünftige Antriebe entwickelt.