FFG - TURANDOT - Turbulenz- und Optische Messmethoden zur Kanalwandoptimierung in Turbofantriebwerken

Der Druck, die Effizienz von Flugzeugen zu steigern, zwingt Flugtriebwerkshersteller ihre Antriebe ständig weiter zu verbessern. Eine wichtige Schlüsselkomponente zukünftiger Triebwerke ist der Turbinenübergangskanal zwischen Hoch- und Niederdruckturbine. Neuartige Entwicklungen zielen auf eine integrale Lösung für diesen Übergangskanal ab, das sogenannten „Beschaufelte Turbinenzwischengehäuse“ (BZG), bei dem die Funktion der folgenden Turbinenleitschaufelreihe in die Turbinenzwischenzwischenstruktur integriert wird, um Länge des Triebwerks, Komponentenanzahl und damit Gewicht einzusparen. Die strömungstechnischen Herausforderungen beim Entwurf eines effizienten und robusten BZG sind einerseits die Verstärkung der Stromabeffekte der Hochdruckturbine (Nachläufe, Strömungswinkelvariationen, Sekundärströmungen und Spaltströmungen) durch die Umlenkung und andererseits die Empfindlichkeit der darin befindlichen Schaufeln gegenüber Strömungsablösung, wenn hohe Winkeländerungen im Kanal gefordert werden. Dies alles führt zu einer schlechteren Strömungsqualität im BZG verbunden mit einem inhomogeneren Strömungsfeld dahinter und somit zu einer Gefährdung des Wirkungsgrades des folgenden Niederdruckturbinenmoduls. Das Projekt TURANDOT versucht, folgende technische Ziele zu erreichen: 1. Gewinn an Einsicht in die Strömungsphysik der Turbinenzwischenkanäle, speziell in die komplexe dreidimensionale Strömung zwischen zwei umlenkenden Stützschaufeln, um neue Entwurfsmethoden für Wirkungsgradverbesserungen aufzuzeigen, 2. Charakterisierung der Turbulenzentwicklung durch den Kanal, Untersuchung deren Einflüsse auf die Druckverlustgenerierung und Verwendung der Versuchsergebnisse als Datenbank zur Validierung und Verbesserung von CFD-Werkzeugen der Turbulenzmodellierung, sowie 3. Quantifizierung des Potenzials von widerstandsreduzierenden Modifikationen der Oberflächen, um die Aerodynamik von hochentwickelten Übergangskanälen zu verbessern. Um diese Projektziele zu erreichen, ist eine umfassende Testkampagne in einer Hochgeschwindigkeits-Versuchsturbine unter triebwerksrelevanten Bedingungen geplant. Optischer Zugang in der Testkonfiguration erlaubt neue Einsicht in die Strömungsdetails durch berührungslose Lasermesstechnik. Zusätzlich sind detaillierte Turbulenzmessungen geplant, um deren Entwicklung von der Abströmung der Hochdruckturbine, durch das BZG und durch den ersten Niederdruckturbinenrotor zu quantifizieren. Letztendlich wird das Setup mit Oberflächenmodifikationen getestet und mit dem ursprünglichen verglichen. Alle Aktivitäten dieses Projekts werden durch CFD-Simulationen unterstützt, deren Ergebnisse sollen die Erkenntnisse vorangegangener Projekte erweitern.