T. Krüger, M. Wiegand, I. Condriuc, L. Schuchard, R. Mailach

Die Reduktion klimaschädlicher Emissionen ist ein wesentliches Ziel im modernen Luftverkehr. Dafür geeignete Ansätze stellen unter anderem emissionsoptimierte Flugprofile sowie der Einsatz von hybrid-elektrischen Antriebstechnologien dar. Um die damit verbundenen Potentiale zügig identifizieren und quantifizieren zu können, werden performante 0D-Triebwerksmodelle benötigt, die die Leistungsrechnung thermischer und hybrid-elektrischer Flugantriebe im Auslegungspunkt und im Off-Design abbilden. Die vorliegende Arbeit stellt ein solches Modell für Leistungsrechnung, Emissions- und Massenabschätzung vor. Dabei liegt ein besonderer Fokus auf einem flexiblen, modularen Aufbau, sodass das Framework um neue Architekturen und zusätzliche (bspw. elektrische) Komponenten erweitert werden kann. Bereits hinterlegt sind etablierte ein- und mehrwellige thermische Turbojet-, Turbofan- und Turboprop-Architekturen sowie verschiedene (hybrid-)elektrische Konfigurationen. Gegenüber einer etablierten kommerziellen Referenz (GasTurb [1]) ergeben sich für die Leistungsgrößen dort verfügbarer Architekturen Abweichungen deutlich kleiner als ein Prozent, die typischerweise durch die Genauigkeit der verfügbaren Stoffwerte [2-4] limitiert werden. Das Triebwerksdesign kann in einem Auslegungspunkt definiert und quasi-stationär im Off-Design berechnet werden, wobei die entlang einer Flugmission entstehenden Schubanforderungen mittels der Bibliothek OpenAP [5] vorgegeben werden können. An dieser Stelle schlägt sich die Abschätzung des Systemgewichts, welches durch die jeweilige Architektur und ihre Komponenten erheblich beeinflusst wird, besonders nieder. Dies wird bspw. hinsichtlich des Treibstoffverbrauchs anhand eines ausgewählten Missionsprofils demonstriert. Für die Massen- und Emissionsabschätzung wird auf eine Datenbank bestehender Maschinen zurückgegriffen. Die aktuelle und zukünftige Entwicklung des Modells konzentriert sich auf eine weiter verbesserte Massenabschätzung, alternative Kraftstoffe und weitere Triebwerksarchitekturen, insbesondere mit Wärmeübertragern, die dank des modularen Aufbaus leicht eingebunden werden können. Damit ermöglicht dieses Leistungsrechnungsprogramm eine noch schnellere und umfangreichere Vorhersage von thermodynamischen Größen entlang des Gaspfades, Effizienz, Emissionen und Massen für die erfolgreiche Evaluation neuer Triebwerksdesigns und Missionsprofile.

Reducing climate-damaging emissions is a key goal in modern aviation. Approaches suitable for this include emission-optimized flight profiles and the use of hybrid-electric propulsion technologies. In order to quickly identify and quantify the associated potential, high-performance 0D engine models are required that calculate the performance of thermal and hybrid-electric flight propulsion at the design point and in the design point Depict off-design. This work presents such a model for performance calculation, emission and mass estimation. There is a particular focus on a flexible, modular structure so that the framework can be expanded to include new architectures and additional (e.g. electrical) components. Established single and multi-shaft thermal turbojet, turbofan and turboprop architectures as well as various (hybrid) electric configurations are already stored. Compared to an established commercial reference (GasTurb [1]), the performance variables of the architectures available there have deviations of significantly less than one percent, which are typically limited by the accuracy of the available material values [2-4]. The engine design can be defined at a design point and calculated in a quasi-stationary off-design manner, whereby the thrust requirements arising during a flight mission can be specified using the OpenAP library [5]. At this point, the estimation of the system weight, which is significantly influenced by the respective architecture and its components, is particularly important. This is demonstrated, for example, with regard to fuel consumption using a selected mission profile. A database of existing machines is used to estimate mass and emissions. The current and future development of the model focuses on further improved mass estimation, alternative fuels and additional engine architectures, especially with heat exchangers, which can be easily integrated thanks to the modular design. This performance calculation program thus enables an even faster and more comprehensive prediction of thermodynamic variables along the gas path, efficiency, emissions and masses for the successful evaluation of new engine designs and mission profiles.

Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2023, Stuttgart

Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V., Bonn, 2023

Conference Paper

deutsch

21,0 x 29,7 cm, 10 Seiten

urn:nbn:de:101:1-2023102712403758656226

Triebwerks-Leistungsrechnung, hybrid-elektrische Flugantriebe, Massen- und Emissionsabschätzung

Download - Bitte beachten Sie die Nutzungsbedingungen dieses Dokuments: Copyright protected

Krüger, T.; Wiegand, M.; et al. (2023): Ein modulares Leistungsrechnungsprogramm für konventionelle und hybrid-elektrische Flugantriebe. Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V.. (Text). urn:nbn:de:101:1-2023102712403758656226.

27.10.2023