Nomenklatur ................................................... XII
1 Einleitung ................................................. 1
1.1 Umwelt und Luftfahrt ....................................... 1
1.2 Grundlagen zur Triebwerkstechnik ........................... 3
1.2.1 Zweistromtriebwerk .................................. 3
1.2.2 Zukünftige Triebwerkskonzepte ....................... 5
1.3 Wichtige Forschungsarbeiten des DLR im Bereich der
zukünftigen Fantechnologien ................................ 8
1.4 Zielsetzung der Arbeit .................................... 10
2 Gegenläufiger Fan - Auslegungen ........................... 11
2.1 Automatisierte Optimierung ................................ 11
2.2 Auslegung und experimentelle Untersuchung eines
gegenläufigen Fans im Rahmen des EU-Projektes VITAL
(CRTF2b) .................................................. 13
2.2.1 Vorbereitung der Optimierung ....................... 13
2.2.1.1 Parametrisierung des Strömungskanals und der
Schaufelgeometrie .............................. 14
2.2.1.2 Betriebspunkte und Zielfunktionen .............. 16
2.2.1.3 Restriktionen .................................. 18
2.2.1.4 Rechennetz und numerisches Setup ............... 18
2.2.2 Optimierungsergebnisse ............................. 18
2.2.2.1 Pareto-Front ................................... 19
2.2.2.2 Auswertung der ausgewählten Geometrie und
deren Vergleich mit der Startgeometrie ......... 19
2.2.3 Vorbereitung der Messung ........................... 22
2.2.3.1 Fertigung ...................................... 22
2.2.3.2 Instrumentierung ............................... 23
2.2.3.3 Zusammenbau des Rigs und der Test .............. 24
2.2.4 Vergleich der Messung mit der hochgenauen
Strömungssimulation ................................ 24
2.2.4.1 Vorbereitung der CFD-Simulation ................ 24
2.2.4.2 Vergleich der gemessenen mit den berechneten
Kennfelder ..................................... 26
2.2.4.3 Vergleich der radialen Verteilungen an der
Austrittsebene des Fans ........................ 27
2.2.4.4 änderung der Machzahlverteilung entlang der
100% Drehzahllinie ............................. 29
2.2.5 Fazit der Auslegung des CRTF2b ..................... 30
2.3 Neue CRISP-Auslegung ...................................... 30
2.3.1 Vorbereitung der Optimierung ....................... 31
2.3.1.1 Definition der Betriebspunkte und der zweiten
Zielfunktion ................................... 31
2.3.1.2 Freie Variablen ................................ 33
2.3.1.3 Nebenbedingungen ............................... 34
2.3.2 Optimierungsergebnisse ............................. 34
2.3.2.1 Pareto-Front ................................... 34
2.3.2.2 Vergleich der aerodynamisch optimierten
Geometrie mit der initialen Geometrie .......... 35
2.4 Fazit zu den Fan-Auslegungen .............................. 38
3 Einfaches Verfahren für die Parameterstudie eines
gegenläufigen Fans ........................................ 40
3.1 1 D-Theorie ............................................... 40
3.1.1 Parametrisierung ................................... 42
3.1.2 Aerodynamische Kriterien zur Beurteilung der
Parameterkombinationen ............................. 43
3.1.3 Einfluss der Parameter auf relative Machzahl und
Diffusionszahl ..................................... 48
3.2 1.5D-Theorie .............................................. 51
3.2.1 Parameter und untersuchte Wertebereiche ............ 51
3.2.2 1.5D-Theorie - Schritt 1 ........................... 51
3.2.3 1.5D-Theorie - Schritt 2 (сах ≠ konst.,
UR1,UR2 ≠ konst.) .................................. 56
3.2.4 Erklärung der Auswahl-Kriterien .................... 58
3.2.5 Auswahlprozess ..................................... 59
3.3 Ergebnis der Parameterstudie .............................. 62
4 Globale Parameterstudie und Optimierung ................... 64
4.1 Strategieentwicklung ...................................... 64
4.1.1 Definition der gleichverteilten Parameter .......... 65
4.1.2 Bestimmung der Pareto-Front bei zwei
gleichverteilten Parametern ........................ 66
4.1.3 Auswahl der Eltern ................................. 67
4.1.4 Beschleunigungsmethode der globalen Optimierung .... 68
4.2 Modellstufen der Optimierungsprozesskette ................. 70
4.2.1 1 D-Throughflow-Verfahren als
Mittelschnittverfahren mit der Kopplung des
2D-Euler Löser (MISES) ............................. 71
4.2.2 2D-Throughflow-Verfahren mit Kopplung der
Korrelationen ...................................... 73
4.2.3 3D-RANS-Verfahren .................................. 75
4.3 Automatisierte Bestimmung der Off-Design-Betriebspunkte
ausgehend von dem Ausle-gungspunkt ........................ 77
5 Anwendung der globalen Optimierungsstrategie für das
gegenläufige und konventionelle Fankonzept mit Low-
Fidelity Modellen ......................................... 78
5.1 Anwendung des Mittelschnittsverfahrens für das CR- und
das SR-Fankonzept ......................................... 78
5.1.1 Vergleich der erreichbaren Wirkungsgrade auf dem
untersuchten [Max; Pt]-Bereich mit SR- und mit
CR-Fankonzepten .................................... 78
5.1.2 Auswertung und Vergleich von drei aus der Pareto-
Front ausgewählten CR-Fanschnitten bei Max =
0.695 .............................................. 81
5.2 Anwendung des Throughflow-Verfahrens für die CR- und
SR-Fankonzepte ............................................ 83
5.2.1 Untersuchung der Vertrauenswürdigkeit des
Verfahrens ......................................... 83
5.2.2 Methode in der Throughflow-Optimierung um die
mechanisch und physikalisch ungeeigneten
Geometrien zu vermeiden ............................ 85
5.2.2.1 Einschränkungen durch die aerodynamischen
Kennzahlen ..................................... 85
5.2.2.2 Einschränkungen durch die vereinfachten
Festigkeitsberechnungen ........................ 86
5.2.3 Ergebnisse der Beschleunigungsmethoden in den
ACDC-2D-Optimierungen .............................. 86
5.2.4 Ergebnis der globalen Optimierungen mit der
Anwendung des Throughflow-Verfahrens ............... 88
5.2.4.1 Vergleich der erreichbaren Wirkungsgrade auf
dem untersuchten [Max; Pt,FAN]-Bereich mit SR-
und mit CR-Fankonzepten ........................ 88
5.2.4.2 Optimale Parameter- und Kennzahlenverteilung
auf dem untersuchten [Max; Pt,FAN]-Bereich
mit SR- und CR-Fankonzepten .................... 90
5.2.5 Nachrechnung der Member der Pareto-Front im
MaxCIimb-Betriebspunkt ............................. 95
5.2.6 Optimierung unter Berücksichtigung der Getriebe .... 96
5.2.6.1 Optimierungsstrategie .......................... 97
5.2.6.2 Optimierungsergebnis ........................... 98
6 Anwendung der globalen Optimierungsstrategie für das
gegenläufige und konventionelle Fankonzept mit dem
3D-RANS-Löser TRACE ...................................... 100
6.1 3D-RANS-Nachrechnung der Pareto-Front der Optimierung
mit dem 2D-Throughflow-Löser ............................. 100
6.2 Ergebnis der dreidimensionalen Optimierung des CR-Fans ... 101
6.2.1 Phasel - Optimierung mit der dynamischen
Diskretisierung ................................... 101
6.2.2 Nachrechnung der Pareto-Front der CR-
Fanoptimierung im MCL-Betriebspunkt ............... 104
6.2.3 Phase2 - Optimierung mit der statischen
Diskretisierung ................................... 106
6.3 Ergebnis der dreidimensionalen Optimierung des SR-Fans ... 107
6.4 Vergleich der SR-und CR-Fankonzepte aufgrund der
globalen Optimierungsergebnisse .......................... 108
6.4.1 Wirkungsgradvorteil der CR-Fans gegenüber den
SR-Fans ........................................... 108
6.4.2 Vergleich der Verteilung der optimierten
Kennzahlen und Parameter des CR- und des SR-Fans .. 110
6.5 Fazit .................................................... 115
7 Zusammenfassung .......................................... 117
Literaturverzeichnis .......................................... 119
A CRISP2-Auslegung ........................................... 123
B Einfache Parameterstudie ................................... 124
C Globale Parameterstudie und Optimierung .................... 139
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