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Den Hitzetransfer in Triebwerken modellieren

EU-geförderte Wissenschaftler befassten sich mit einem schwierigen Hitzetransferproblem bei der Konstruktion von Flugzeugtriebwerken. Das Projekt führte zur Entwicklung komplexer numerischer Löser, die bei der Gewichts-, Kosten- und Abgasreduzierung bei Triebwerken behilflich sein könnten.
Den Hitzetransfer in Triebwerken modellieren
Verbrennungsmotoren, auch Triebwerke oder Gasturbinentriebwerke genannt, verbrennen Treibstoff in einem Prozess, der Verbrennung genannt wird. Sie wandeln chemische Energie aus den Verbindungen zwischen den Atomen des Treibstoffes in mechanische Arbeitsenergie um.

Bei der Verbrennung von Treibstoff entstehen in Anwesenheit von Sauerstoff heiße Abgase. Diese werden durch eine Öffnung geleitet, in der sie schneller werden, und so die Turbinenschaufeln drehen. Dies ist mit einer Windmühle vergleichbar, bei der Wind Druck auf die Vorrichtung ausübt.

Wirtschaftlicher und umwelttechnischer Druck treibt die Luftfahrtindustrie an, leichtere und effizientere Motoren mit geringeren Emissionen sowie Produktions- und Betriebskosten zu entwickeln.

Europäische Forscher wollten an den Erfolg des Vorgängerprojekts "Aerothermal investigations on turbine endwalls and blades" (AITEB) anknüpfen und entwickelten das Projekt AITEB-2. Ihr Ziel bestand darin, einen aero-thermodynamischen Turbinenmotorentwurf zu entwickeln, der ein geringeres Motorgewicht, eine kürzere Einführungszeit, niedrige Kosten und Emissionen aufweist.

Die Wissenschaftler konzentrierten sich auf die Interaktion heißer Gase mit kälteren Wänden, wo der sogenannte gekoppelte Hitzetransport stattfindet. Für dieses schwierige Thema mussten zahlreiche notwendige numerische Tools einschließlich eines massiv-parallelen Lösers entwickelt werden.

Zwei Fallstudien wurden bewertet: eine Flamme und ihre Interaktion mit einer Wand und eine Strömung heißer Gase und deren Interaktion mit einer Turbinenschaufel. Die numerischen Methoden zur komplizierten Strömungsdynamik (CFD, Computational Fluid Dynamics), die für das Projekt AITEB-2 entwickelt wurden, einschließlich ein Turbulenzlöser als Large-Eddy-Simulation (LES) liefern wichtige Erkenntnisse über effiziente Gasturbinenkonstruktion.

Weitere numerische Studien und Optimierungen haben zusammen mit Experimenten das Potenzial, bedeutsame Auswirkungen auf die Industrie der Flugmotorkonstruktion mit sich zu bringen.

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