Zeitgenaue Simulation des Abprallverhaltens von Partikeln zur Berechnung der Erosion in Turboflugtriebwerken

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Andrea D. Beck; Dr.-Ing. Christian Koch
• Fachliche Zuordnung: Strömungs- und Kolbenmaschinen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 420603919

Im vorliegenden Forschungsantrag soll die mechanische Schädigung von Material durch den Einschlag von im umgebenden Fluid mittransportierten festen Teilchen, auch Erosion genannt, untersucht werden. Ziel ist die bessere Vorhersage der Leistungsverschlechterung von Turboflugtriebwerken. Die erosiven Partikel gelangen durch die angesaugte Luft in den Gaskanal der Triebwerke und schädigen dort die Bauteile, vor allem die Schaufeln. Die veränderte Geometrie führt zu Abweichungen in der Aerodynamik und damit zu einer Leistungsverschlechterung der Komponente. Die Formänderung der Bauteile wird durch die Flugbahn der Partikel bestimmt. Aufgrund der komplexen Geometrien des Gaskanals von Flugtriebwerken ist die genaue Flugbahn der erosiven Partikel schwer vorherzusagen. Die Flugbahn wird durch aerodynamische Kräfte bestimmt aber auch vom Abprallverhalten der Partikel an den Wänden des Gaskanals bzw. den Schaufeln. Existierende Abprallmodelle sind nicht genau genug, bzw. wurden nicht bei den für Turboflugtriebwerke relevanten Partikelgeschwindigkeiten untersucht. Außerden berechnen bisher in der Industrie verwendete Simulationsverfahren zudem nur die zeitgemittelten Strömungsfelder, so dass eine Berücksichtigung der instationären Effekte auf die Partikelbahnen nicht erfolgt. Daher soll ein kombiniertes Forschungsvorhaben aus numerischen und experimentellen Untersuchungen diese Fragestellung klären. Dabei werden die Stärken der einzelnen Forschungsstellen und Vorgehensweisen miteinander kombiniert, so dass sich Experiment und Simulation gegenseitig validieren und steuern. Das Institut für Luftfahrtantriebe wird mit seinem existierenden Erosionsprüfstand das Abprallverhalten unter typischen Randbedingungen eines Hochdruckverdichters eines modernen Turboflugtriebwerks untersuchen. Die Ergebnisse werden dem Institut für Aero- und Gasdynamik zur Verfügung gestellt. Das Institut für Aero- und Gasdynamik bildet mit seinen existierenden numerischen Simulationswerkzeugen sowohl die instationären, turbulenten Strömungsvorgänge als auch die Partikelbahnen ab. Durch intensiven Austausch der beiden Institute werden die Abprallverhältnisse an ebenen Platten, Radiusplatten und einer Kaskade sowohl numerisch als auch experimentell untersucht. Ziel ist es daher, während des Projekts ein kombiniertes experimentell-numerisches Analysewerkzeug zu entwickeln, dass mit bisher nicht erreichter Genauigkeit in der Lage ist, Abprall- und Erosionsverhalten in industriell-relevanten Geometrien vorherzusagen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Professor Dr. Claus-Dieter Munz; Professor Dr.-Ing. Stephan Staudacher