Konzeptvalidierung fluidischer Strömungskontrollsysteme zur Unterdrückung von Strömungsablösungen in extrem verkürzten Zwischenverdichterkanälen - "RDUCT"

Abstract

In diesem Bericht werden die Arbeiten und Ergebnisse des Vorhabens „RDUCT – Konzeptvalidierung fluidischer Strömungskontrollsysteme zur Unterdrückung von Strömungsablösungen in extrem verkürzten Zwischenverdichterkanälen“ für das Teilvorhaben der Technischen Universität Berlin vorgestellt. Aktive Strömungskontrolle besitzt das Potenzial, die aerodynamische Leistungsfähigkeit von Luftfahrtkomponenten über die Grenzen konventioneller, passiver Maßnahmen hinaus zu steigern. Insbesondere für hochbelastete Verdichter stellt sie eine vielversprechende Technologie dar, um Strömungsablösungen zu kontrollieren und aerodynamische Verluste zu reduzieren. Eine zentrale Herausforderung besteht dabei in der Bereitstellung des für die Aktuation erforderlichen Massenstroms, da dieser die Effizienz des Gesamtsystems beeinflusst. Ziel des Verbundvorhabens RDUCT war daher die Entwicklung und Validierung innovativer Aktuatorkonzepte, die bei hoher aerodynamischer Wirksamkeit einen deutlich reduzierten Massenstrombedarf aufweisen. Im Mittelpunkt des Vorhabens stand die Untersuchung eines hochaggressiven Zwischenverdichterkanals (Inter Compressor Duct, ICD), der als Demonstrator für zukünftige Triebwerksarchitekturen dient. Durch die zunehmende Leistungsdichte moderner Flugtriebwerke gewinnen kompakte und stark umlenkende Zwischenverdichterkanäle zunehmend an Bedeutung. Gleichzeitig führen die damit verbundenen starken Strömungsumlenkungen zu erhöhten Verlusten und Ablöseerscheinungen, die eine wesentliche Herausforderung für die aerodynamische Auslegung darstellen. Im Rahmen des Projekts wurde an der Technischen Universität Berlin ein modularer Versuchsstand aufgebaut und erfolgreich in Betrieb genommen. Mithilfe umfangreicher experimenteller Untersuchungen sowie der engen Zusammenarbeit mit den Verbundpartnern konnten aktive Strömungskontrollsysteme entwickelt, optimiert und validiert werden. Die Ergebnisse zeigen, dass durch den Einsatz aktiver Strömungskontrolle die Verlustregionen im Zwischenverdichterkanal signifikant reduziert und die Homogenität der Austrittsströmung verbessert werden können. Die experimentell nachgewiesenen Verbesserungen übertrafen teilweise die Erwartungen der numerischen Auslegung. Ein wesentlicher Erfolgsfaktor des Vorhabens war der Einsatz additiver Fertigungstechnologien, die die Realisierung hochkomplexer Strömungskanäle und funktionsintegrierter Aktuatorgeometrien ermöglichten. Darüber hinaus entstand eine umfangreiche und qualitativ hochwertige Datenbasis aus experimentellen Messungen und numerischen Simulationen, die künftig sowohl zur Validierung numerischer Methoden als auch für datengetriebene Entwicklungs- und Optimierungsverfahren genutzt werden kann. Mit der erfolgreichen Demonstration der Technologie auf Technologiereifegrad TRL 5 leistet das Vorhaben einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung zukünftiger, effizienterer Luftfahrtantriebe und schafft die Grundlage für die weitere Erforschung und Implementierung aktiver Strömungskontrollsysteme in Triebwerksanwendungen. This report presents the work carried out and the results achieved within the project “RDUCT – Concept Validation of Fluidic Flow Control Systems for the Suppression of Flow Separation in Extremely Shortened Inter-Compressor Ducts” for the subproject conducted by the Technical University of Berlin. Active flow control has the potential to enhance the aerodynamic performance of aerospace components beyond the limits of conventional passive measures. In particular, it represents a promising technology for highly loaded compressors where flow separation and associated aerodynamic losses restrict further performance improvements. A key challenge, however, is the supply of the actuation mass flow, as the required bleed air directly affects the efficiency of the overall propulsion system. The objective of the collaborative RDUCT project was therefore to develop and validate innovative actuator concepts capable of maintaining high aerodynamic effectiveness while significantly reducing the required actuation mass flow. The project focused on the investigation of a highly aggressive Inter-Compressor Duct (ICD) serving as a representative demonstrator for future aero-engine architectures. As modern aircraft engines continue to increase in power density, compact and strongly curved inter-compressor ducts become increasingly important. At the same time, the resulting strong flow turning promotes flow separation and aerodynamic losses, creating a major challenge for the aerodynamic design of future compressor systems. Within the project, a modular experimental test rig was designed, manufactured, and successfully commissioned at the Technical University of Berlin. Through extensive experimental investigations and close collaboration with the project partners, active flow control systems were developed, optimized, and validated. The results demonstrate that active flow control can significantly reduce loss regions within the inter-compressor duct and substantially improve the homogeneity of the exit flow. In several cases, the experimentally observed performance improvements exceeded the expectations derived from the numerical design studies. A key enabling technology for the successful implementation of the project was additive manufacturing, which allowed the realization of highly complex internal flow passages and functionally integrated actuator geometries that would not have been feasible using conventional manufacturing methods. In addition, the project generated a comprehensive and high-quality database consisting of experimental measurements and numerical simulation results. This database provides valuable reference data for future CFD validation efforts and offers considerable potential for data-driven development approaches and AI-based optimization methods. By successfully demonstrating the technology at Technology Readiness Level (TRL) 5, the project makes an important contribution to the development of future high-efficiency aero-engine architectures and establishes a solid foundation for the further development and integration of active flow control systems in propulsion applications.