Miniaturisierte Turbo Kompressoren zur Senkung des Treibstoffverbrauchs von zukünftigen Flugzeugen
Flugzeuge spielen eine wichtige Rolle im weltweiten Transportsystem. Um mit den steigenden Passagierzahlen und zunehmendem Frachtgewicht schrittzuhalten, müssen Flugzeuge grösser werden, obgleich existierende Landebahnen nicht verlängert werden können. Gleichzeitig steigt die Nachfrage nach leiseren und – im Hinblick auf CO2 Emissionen und der globalen Erwärmung – effizienteren Flugzeugen. Prof. Zha und sein Team von der Universität Miami betreiben Forschung auf dem Gebiet der aktiven Strömungskontrolle zu ultra-hohen Auftriebsbeiwerten durch Energetisieren der Randschicht von Tragflächen, so genannten Super-Lift Bedingungen. Dies ermöglicht das Starten und Landen auf sehr kurzen Start- und Landebahnen und reduziert den Strömungswiderstand bei Reisegeschwindigkeit, was wiederum den Treibstoffbedarf auf Langstreckenflügen reduziert. Die Schlüsseltechnologie, die Super-Lift Bedingungen überhaupt möglich macht, sind miniaturisierte, ultra-kompakte Turbo Kompressoren, welche Celeroton für Versuche im Windkanal realisiert hat.
Abbildung 1: Funktionsprinzip Kompressor System
In jüngsten CFD Simulationen von 2017 hat das Forschungsteam der Universität Miami in Theorie gezeigt, dass Super-Lift Bedingungen (SLC = super lift conditions) möglich sind, indem der Auftriebsbeiwert über das bisher gültige theoretische Limit erhöht wird [Link]. Diese bahnbrechenden Erkenntnisse eröffnen einen neuen Bereich in der Fluidmechanik, die in Versuchen im Windkanal nachgewiesen werden musste. Die Aufgabe von Prof. Zha und seinem Team war die Super-Lift Bedingungen so realitätsnah wie möglich zu simulieren. Hierfür wird ein Mikro-Kompressor benötigt, der in die Tragfläche passt und gleichzeitig den erforderlichen Massenstrom und Druckerhöhung bereitstellen kann.
Abbildung 1 zeigt das Funktionsprinzip des aktiven Strömungskontrollsystems. Der Kompressor saugt am hinteren Ende der Tragfläche einen kleinen Massenstrom ein, erhöht den Druck und damit die Strömungsenergie, und stösst diesen nahe der Vorderkante tangential aus. Diese Parallelströmung erzeugt eine rechtsdrehende Wirbelschicht. Auf diese Weise erzeugt die Parallelströmung mehrere Wirbelschichten, die eine komplexe Struktur von vier gegeneinander rotierender Wirbelschichten bildet (siehe Abbildung 2). Die rechtsdrehende Wirbelschicht trägt zum Auftrieb bei, wobei die linksdrehenden Wirbelschichten zur Schubkraft beitragen. Die Parallelströmung führt (der Randschicht) Energie zu, um dem extrem hohen, ungünstigen Druckgradienten entgegenzuwirken und damit einer Strömungsablösung bei sehr hohen Anstellwinkeln (AoA = angles of attack) entgegenwirkt. Für weitere Informationen besuchen Sie bitte [Link].
Abbildung 2: Wirbelstruktur für die CFJ6421-SST016-SUC053-INJ009 Tragfläche
Der miniaturisierte Kompressor stellt den für die Parallelströmung benötigten Massenstrom zur Verfügung. Dieser Kompressor, der einen Massenstrom von 10 bis 80 g/s bei Druckverhältnissen von 1.03 bis 1.4 bereitstellt, wurde im Auftrag der Universität Miami realisiert. Die Auslegung der Aerodynamik stammt von PCA Engineers, einem auf Turbomaschinendesign, -analyse und Auslegungs-Software spezialisierten Ingenieur-Beratungsunternehmen mit Sitz in Grossbritannien. Die Anforderungen an den Turbo Kompressor wurden von der Universität Miami aus den CFD-Simulationen abgeleitet. Celeroton war für das mechanische und elektrische Motordesign sowie für das Gesamtdesign, die Herstellung und das Testen des Kompressors verantwortlich. «Das aerodynamische Design des Kompressors stellt ziemlich einzigartige und interessante Herausforderungen dar», sagt Dr. Chris Robinson, Geschäftsführer bei PCA Engineers, «und das innovative elektromechanische Design von Celeroton sowie das Augenmerk auf Details in der Herstellung waren zentral für den Erfolg solch kompakter Systeme.»
Abgeleitet von den von PCA berechneten Kennfeldern hat Celeroton einen 2 kW Kompressor mit einer Länge von 125 mm und einem Durchmesser von 84 mm realisiert, siehe Abbildung 3. Ohne Wasserkühlung in Tragflächen, was der Forderung nach einer hohen Leistungsdichte gegenübersteht, musste Celeroton neue Kühlmethoden für den Motor untersuchen. Der Motor ist hierfür in den Strömungskanal integriert und nutzt die Strömung durch den Kompressor zur Motorkühlung, während die Leitschaufeln zur Drall Reduktion in der Strömung und als Kühlrippen verwendet werden. Mit einer Schubkompensation konnte die erforderliche Lebensdauer der Kugellager des Turbo Kompressors eingehalten werden. «Herausfordernde Anforderungen regen neue Lösungsansätze an», sagt Dr.-Ing. Fabian Dietmann, Leiter Turbomaschinen- und Motorenentwicklung bei Celeroton.
Abbildung 3: Schnittbild des kundenspezifischen Turbo Kompressors (in mm).
In der Studie der Universität Miami wurden insgesamt fünf Kompressoren für Windkanalversuche eingesetzt. Jeder Kompressor wird von einem separaten Umrichter geregelt. Trotzdem sollte die beeinflusste Randschicht konstant über die Länge der Tragfläche sein. Hierfür ist die Master-Slave Konfiguration der Standardumrichter CC-230-3500 von Celeroton eingesetzt worden, bei der lediglich einer, der Master-Umrichter, extern von einem PC angesteuert wird, während die übrigen Umrichter vom Master-Umrichter synchron gesteuert werden. Diese Standardumrichter können mit 110 – 230 VAC (50 Hz / 60 Hz) versorgt werden und eignen sich daher besonders gut für Prüfstands-Messungen. «Das kompakte Design und der hohe Wirkungsgrad erlauben uns die Validierung unserer Simulationen», sagt Prof. Zha von der Universität Miami, «die sehr einfach zu bedienenden Umrichter machen das Testen bei unterschiedlichen Betriebspunkten sehr effizient».
Abbildung 4 zeigt das im Labor getestete Profil (adaptiertes CFJ-NACA-6421 Profil) ohne Deckel mit fünf eingebauten Kompressoren. In diesem Versuchsaufbau ist neben den Kompressoren und Versorgungskabel eine Reihe Messtechnik zur z.B. Temperatur-, Druck- und Massenstrommessung verbaut. Die nächsten Schritte in der Super-Lift Roadmap sind Flugversuche mit dem hierin beschriebenen Turbo Kompressor Düsensystem (co-flow system).
Abbildung 4: Foto des getesteten CFJ-NACA-6421 Profils mit fünf eingebauten Mikro Turbo Kompressoren
