Kühlsystem für Fantriebwerke mit ultrahohem Bypass-Verhältnis
Die Luftfahrtindustrie verursacht 2 bis 3 % aller CO2-Emissionen, die jährlich und weltweit durch menschliche Aktivitäten entstehen, und belastet das Klima zusätzlich durch andere Treibhausgase. „Um die Umweltbelastung durch die kommerzielle Luftfahrt zu senken, müssen Kohlendioxid-, Stickoxid- und Lärmemissionen reduziert werden. Hier könnte nun eine neue Generation von Triebwerken zum Zug kommen. Ein besonders interessantes Konzept sind Fantriebwerke mit ultrahohem Bypassverhältnis (ultra-high bypass ratio, UHBR)“, erläutert Alberto Broatch, Koordinator des EU-finanzierten Projekts SACOC. Diese Triebwerke erzeugen weniger Emissionen und sind leiser, müssen aber noch diverse technische Hürden meistern, u. a. im Zusammenhang mit dem Kühlsystem. Aufgrund der sehr ausladenden vorderen Triebwerkschaufeln weicht die optimale Drehzahl stark von der Turbine ab, die den Fan antreibt. „Daher muss bei UHBR-Triebwerken ein Getriebe zwischengeschaltet werden, damit sich die Turbine langsamer dreht als der Fan und die lauten, durch die Schaufelspitzen erzeugten Geräusche vermieden werden“, erklärt Broatch. Bei diesem Ansatz wird das Getriebe sehr stark erhitzt, sodass die Wärme durch ein geeignetes Kühlsystem abgeführt werden muss.
Auf der Suche nach Lösungen
Schwerpunkt des Projekt war die Triebwerkskühlung. „Vor allem wollten wir eine numerische Methodik entwickeln, um die Leistung luftgekühlter Ölkühler berechnen zu können, die das Öl des Schmiersystems durch Luft aus dem Bypasskanal des Motors abkühlen“, erklärt Jorge García-Tíscar, einer der Projektmanager. Als digitales Modell kann es der Optimierung neu entwickelter Geometrien von Wärmetauschern dienen, um die Kühlleistung zu erhöhen und negative Auswirkungen auf die Luftzirkulation zu reduzieren. Die numerischen Modelle müssen allerdings noch geprüft werden, bevor damit innovative Designs entworfen werden können. „Und das war das zweite wichtige Ziel des Projekts. Da vollständige Motortests extrem kosten- und zeitaufwändig sind, wurden die tatsächlichen Strömungsbedingungen des Motors um den Kühler herum auf einem kleineren experimentellen Prüfstand simuliert“, erläutert Andrés Felgueroso, Mitglied des Projektkonsortiums. Dieser Prüfstand wurde im Projekt konzipiert, in Betrieb genommen und validiert.
Bessere Kühlleistung
Das Projekt demonstrierte, wie diese Art von Turbofan-Wärmetauschern mit numerischen Modellen nicht nur simuliert, sondern auch optimiert werden kann. „Mit der numerischen Optimierung, wie sie im Projekt auf Basis dieser Modelle erfolgte, entwickelten wir den luftgekühlten Ölkühler mit einer Geometrie, mit der der Wärmeaustausch um fast 20 % und die Durchlässigkeit für den Luftstrom um 13 % höher lag als bei herkömmlichen Kühlern“, bestätigt García-Tíscar. Das Projekt zeigte auch, dass sich die Designs für luftgekühlte Ölkühler in einem vereinfachten Windkanal in kleinem Maßstab prüfen lassen, wobei die realen Bedingungen des Motorluftstroms allerdings in geeigneter Weise simuliert werden müssen. „Dies wird die künftige Entwicklung luftgekühlter Ölkühler deutlich vereinfachen, Versuchskosten und Energieverbrauch senken und die Markteinführung beschleunigen“, ergänzt García-Tíscar. Mit Blick auf die Zukunft schließt Felgueroso: „Wir möchten die Leistung herkömmlicher luftgekühlter Ölkühler weiter untersuchen und neue Konzepte ausprobieren.“ So wird das Konsortium weiter zum aerothermischen Verhalten von Wärmetauschern forschen.
Schlüsselbegriffe
SACOC, luftgekühlte Ölkühler, Wärmetauscher, Turbofan, ultrahohes Bypassverhältnis, UHBR, Luftfahrtindustrie
