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Titel:

Aero-mechanische Optimierung eines strukturellen Fannachleitrades

Autor(en):
C. Clemen, S. Herzog, T. Klauke, A. Holewa
Zusammenfassung:
Die vorliegende Arbeit ist Teil des Forschungsprojektes OPAL - gefördert durch das Land Brandenburg - und beschreibt die aero-mechanische und aero-akustische Optimierung eines Fannachleitrades. Dieses ist im, für moderne Turbofantriebwerke repräsentativen, Nebenstromkanal des Modular Fan Rigs der Anecom Aerotest angeordnet. Es dient dafür den Drall des Fans aus der Strömung zu entfernen und die strukturelle Verbindung des Triebwerkskerns und des Nebenstromkanals bzw. der Triebwerksaufhängung herzustellen. Dazu müssen die Nachleiträder sowohl die aerodynamischen Anforderungen an geringen Druckverlust, großen Arbeitsbereich und Umlenkung der Absolutströmung auf 0 Grad als auch die akustischen Anforderungen an geringe Schallabstrahlung und -erzeugung sowie die strukturmechanischen Anforderungen durch die Triebwerkslasten in allen Betriebspunkten erfüllen. Eine solche Anordnung hat den Vorteil, dass zusätzliche Streben stromab des Fannachleitrades nicht benötigt werden, was Vorteile hinsichtlich der Baulänge und des Triebwerksgewichtes und somit des Triebwerkstreibstoffverbrauchs bietet. Gleichzeitig widersprechen sich jedoch intuitiv die strukturmechanischen und die aerodynamischen bzw. akustischen Anforderungen an ein solches Nachleitrad, so dass sich der Entwurf komplizierter gestaltet. Um den verschiedenen Anforderungen gerecht zu werden wird hier im Gegensatz zu einem herkömmlichen iterativen Entwurfsprozess ein interdisziplinärer Entwurfsprozess gewählt, der basierend auf aerodynamischen und mechanischen Randbedingungen und Beschränkungen eine aero-mechanisch optimierte Fannachleitradgeometrie liefert. BILD 1 zeigt den Prozessablauf. Die vorgegebenen Randbedingungen sind die mechanischen Lastfälle (Flugbedingungen) sowie die aerodynamischen Ein- und Austrittsbedingungen für den Fanauslegungspunkt. Des weiteren wird die bestehende Nebenstromkanalgeometrie des Modular Fan Rigs verwendet, um einen Vergleich mit einer herkömmlich entworfenen Nachleitrad/Streben Anordnung ziehen zu können, die im Zuge des OPAL Projektes im Modular Fan Rig getestet wird. Darüber hinaus wird eine aerodynamisch optimale Vorderkantenpfeilung vorgegeben. In der strukturmechanischen Optimierung werden folgende Parameter variiert: Anzahl der Nachleitradschaufeln, axiale Position des Nachleitrads im Nebenstromkanal, maximale Profildicke, Sehnenlänge. Die strukturmechanische Optimierung wird mit der Software ABAQUS durchgeführt. Für die aerodynamische Optimierung wird die Schaufelzahl basierend auf aero-akustischen und strukturmechanischen Überlegungen festgelegt. In einer Optimierung mit dem 2D-CFD-Löser MISES werden einzelne Schaufelschnitte aerodynamisch so optimiert, dass sie einen minimalen Druckverlust bei maximalem Arbeitsbereich erreichen. Dazu wird die Profilform frei modifiziert unter Einhaltung der vorgeschriebenen Position, Dicken und Sehnenlängen aus der mechanischen Optimierung. Eine Überprüfung der so gefundenen Schaufel mit 3D RANS und Vergleich mit einer Anordnung aus Nachleitrad und Streben beweist die Überlegenheit des gewählten Ansatzes.
Veranstaltung:
Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2010
Medientyp:
Conference Paper
Sprache:
deutsch
Format:
21,0 x 29,7 cm, 10 Seiten
Veröffentlicht:
Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress Tagungsband - Manuskripte, 2010, 2010, ; S.1223-1232; 2010; Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V., Bonn
Preis:
NA
ISBN:
ISSN:
Kommentar:
Klassifikation:
Stichworte zum Inhalt:
Verfügbarkeit:
Bestellbar
Veröffentlicht:
2010


Dieses Dokument ist Teil einer übergeordneten Publikation:
Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress Tagungsband - Manuskripte, 2010