RIGOLETTO-TURB: Optimierung des Turbinenzwischengehäuses und Austrittsgehäuses für fortschrittliche Flugantriebe

Abstract

Schnelllaufende Niederdruckturbinen (NDT) sind entscheidend für moderne Triebwerke, da sie kompaktere Bauweisen und verbesserte Leistung ermöglichen. RIGOLETTO-TURB zielte darauf ab, das Turbinenzwischengehäuse (TVF) und das -austrittsgehäuse (TRF) zu optimieren, um den Anforderungen schnell laufender NDTs gerecht zu werden und so die Klimaziele zu unterstützen. Der Fokus lag auf aerothermischen Herausforderungen und der Erweiterung der Auslegungsräume für TVF und TRF. Zudem wurde die Integration eines Wärmeübertragers angestrebt, um die NDT-Effizienz weiter zu steigern. Die Optimierung des TVF umfasste numerische Designstudien und Testkampagnen an der TVF Sektorkaskade und am Zweiwellenprüfstand der TU Graz. Die Kaskadentests zeigten signifikante Verbesserungen der aerodynamischen Leistung neuer TVF-Designs, mit reduzierten Druckverlusten und verbesserter Strömungsgleichmäßigkeit. Der Zweiwellenprüfstand ermöglichte die Untersuchung der TVF-Geometrie unter triebwerksähnlichen Bedingungen. Die Erkenntnisse förderten die Weiterentwicklung der TVF-Technologie für schnelllaufende NDTs und wurden in das CA Projekt OFELIA sowie die Entwicklung des RISE Open Fans von CFM International integriert. Weiterhin wurde in RIGOLETTO-TURB ein verlustoptimiertes TRF für den Einsatz in schnelllaufenden NDTs entwickelt. Hierzu wurde an der TU Graz ein neuer TRF-Kaskadenprüfstand in Betrieb genommen und zwei Geometrien getestet: eine Referenz- und eine innovative Geometrie, die speziell für hohen Einlassdrall und Machzahl ausgelegt ist. Die erzielten Erkenntnisse flossen direkt in das CA Projekt OFELIA ein. RIGOLETTO-TURB entwickelte und validierte erfolgreich einen in das TRF integrierten Wärmeübertrager. Die Designfähigkeiten und Leistung des Wärmetauschers wurden durch numerische Simulationen und experimentelle Tests bestätigt. Die Erkenntnisse sind entscheidend für die Weiterentwicklung integrierter Wärme übertrager für die nächste Generation ultraeffizienter Flugzeugtriebwerke. Datei-Upload durch TIB High-speed low-pressure turbines (LPT) are crucial for modern engines as they enable more compact designs and improved performance. RIGOLETTO-TURB aimed to optimize the turbine vane frame (TVF) and the turbine rear frame (TRF) to meet the requirements of high-speed LPTs and support climate goals. The focus was on addressing aero-thermal challenges and expanding the design spaces for TVF and TRF. Additionally, the integration of a heat exchanger was pursued to further enhance LPT efficiency. The optimization of the TVF included numerical design studies and test campaigns at the TVF sector cascade and the dual-spool test rig at TU Graz. The cascade tests showed significant improvements in the aerodynamic performance of new TVF designs, with reduced pressure losses and improved flow uniformity. The dual-spool test rig allowed the examination of the TVF geometry under engine-like conditions. The findings promoted the advancement of TVF technology for high speed LPTs and were integrated into the Clean Aviation (CA) project OFELIA and the development of the RISE Open Fan by CFM International. Furthermore, RIGOLETTO-TURB developed a loss-optimized TRF for use in high-speed LPTs. A new TRF cascade rig was commissioned at TU Graz, and two geometries were tested: a reference geometry and an innovative geometry designed specifically for high inlet swirl and Mach number. The insights gained were directly incorporated into the CA project OFELIA. RIGOLETTO-TURB also successfully developed and validated a heat exchanger integrated into the TRF. The design capabilities and performance of the heat exchanger were confirmed through numerical simulations and experimental tests. These findings are crucial for the further development of integrated heat exchangers for the next generation of ultra-efficient aircraft engines.