F. Kern, S. Bindl, S. Brehm, R. Niehuis

Um mit einem Turboverdichter maximale Druckverhältnisse und Wirkungsgrade zu erzielen ohne die Sicherheit zu beeinträchtigen, kann aktive Verdichterstabilisierung zum Einsatz kommen. Lufteinblasung im Schaufelspitzenbereich hat sich dafür als wirksame Stabilisierungsmaßnahme erwiesen und wird am Institut für Strahlantriebe seit vielen Jahren erforscht. Auf Basis der gesammelten Erfahrung wurde eine zweite Baureihe der am Triebwerk Larzac 04 installierten Einblasevorrichtung entwickelt. Dazu mussten zunächst die Anforderungen an das Gesamtsystem geklärt und der zu Verfügung stehende Bauraum analysiert werden. Anschließend erfolgte die Erarbeitung und Bewertung verschiedener Konzepte für den Ejektor, mit Hilfe dessen der Einblasemassenstrom gesteigert wird. Das gewählte Konzept einer ringförmigen Ejektordüse stellte besondere Anforderungen an die Zuführung der Luft, wofür wiederum verschiedene technische Lösungen erarbeitet und bewertet wurden. Anschließend wurde ein besonderes Augenmerk auf die aktive Stabilisierung gerichtet. Sehr kurze Vorwarnzeiten erfordern ein hochdynamisches Ventil, welches in möglichst geringen Abstand zum Verdichter positioniert werden muss. Da auf dem Markt erhältliche Ventile für diese Anwendung nicht in Frage kommen, wurde eine eigene Lösung entwickelt. Hierbei stand die Auswahl der Aktuatoren im Mittelpunkt, um die besonderen Anforderungen an die Dynamik des Systems zu erfüllen. Aus den entwickelten Lösungen wurde anschließend ein umfassendes CAD-Modell erarbeitet. Während der gesamten Konstruktionsphase genoss die Betriebssicherheit höchste Priorität. In diesem Zusammenhang wurden auch die Betriebspunkte ermittelt, bei denen eine Schwingungsanregung des Verdichters mit Resonanzfrequenz möglich wäre. Mit Hilfe der erarbeitenden Ergebnisse wird es möglich sein die Versuche zur aktiven Stabilisierung am Flugtriebwerk Larzac 04 weiter voranzubringen. Insbesondere die Nutzung des Ejektoreffekts und die verbesserte aerodynamische Ausgestaltung lassen höhere Massenströme bei geringerem Aufwand und reduzierten Verlusten erwarten.

To achieve maximum pressure ratios and efficiency with a turbo compressor without compromising safety, active compressor stabilization can be employed. Air injection at the blade tip has proven to be an effective stabilization measure and has been researched at the Institute for Jet Propulsion for many years. Based on the experience gained, a second version of the injection device installed on the Larzac 04 engine was developed. This required first clarifying the requirements for the overall system and analyzing the available installation space. Subsequently, various ejector concepts, which increase the injection mass flow rate, were developed and evaluated. The chosen concept of an annular ejector nozzle placed particular demands on the air supply, for which various technical solutions were developed and evaluated. Following this, special attention was paid to active stabilization. Very short warning times necessitate a highly dynamic valve, which must be positioned as close as possible to the compressor. Since commercially available valves are unsuitable for this application, a custom solution was developed. The selection of actuators was the primary focus, aiming to meet the specific dynamic requirements of the system. A comprehensive CAD model was subsequently developed based on the solutions identified. Operational reliability was the highest priority throughout the entire design phase. In this context, the operating points at which compressor vibration excitation at the resonant frequency would be possible were also determined. The results obtained will enable further progress in the active stabilization trials for the Larzac 04 aircraft engine. In particular, the utilization of the ejector effect and the improved aerodynamic design promise higher mass flow rates with reduced effort and losses.

Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2014, Augsburg

Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V., Bonn, 2015

Conference Paper

deutsch

21,0 x 29,7 cm, 10 Seiten

urn:nbn:de:101:1-2015061215714

Lufteinblasung, Verdichterstabilisierung

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12.06.2015