Technologien für Revolutionäre Arbeitsprozesse (TREVAP)

Beschreibung:

Als Fortsetzung des Projekts „Revolutionäre Arbeitsprozesse (REVAP)“ werden auch bei TREVAP Möglichkeiten zur Steigerung des thermischen Wirkungsgrades erforscht. Aufgrund des abzusehenden Endes der evolutionären Weiterentwicklung bestehender Antriebskonzepte sind dazu neue Kreisprozesse erforderlich. Durch REVAP konnten die meistversprechenden Änderungen des Kreisprozesses identifiziert werden. Diese sind die isotherme Verdichtung sowie die isochore Verbrennung. Im Folgeprojekt TREVAP werden diese Technologien in konkreten Triebwerksprojekten eingesetzt und die Ergebnisse bewertet. Neben den Aussagen über die Machbarkeit, den Aufwand und den Nutzen ist ein weiteres Ziel des Projekts die Entwicklung einer Liste benötigter Technologien, welche als Grundlage zielgerichteter Forschung und Entwicklung dient.

Zusammen mit den Projektpartnern werden zwei Triebwerkskonfigurationen entworfen. Diese unterscheiden sich durch die Art der isochoren Verdichtung, welche in einem Fall mittels Waverotor und im anderen Fall mittels Freikolbenmotor erfolgen soll. Für die Auslegung ist das DLR-VT beziehungsweise das Bauhaus Luftfahrt verantwortlich. Ideen und Konzepte für die isotherme Zustandsänderung werden vom ITLR (Uni Stuttgart) entwickelt. Des Weiteren werden am LFA (TU Berlin) und am GLR (TU Darmstadt) die Auswirkungen des gepulsten Hauptstroms auf den Verdichter beziehungsweise auf die Turbine untersucht. Das Projektmanagement und der konstruktive Aufbau obliegen dem ILA (Uni Stuttgart).

Neben dem ILA übernimmt die Professur für Turbomaschinen und Flugantriebe am ISM der TU Dresden mit der Auslegung des Sekundärluftsystems ein Arbeitspaket, welches für den Erfolg des Gesamtvorhabens von übergeordneter Rolle ist.

Durch die neuen Konzepte entsteht ein erheblich komplexeres Spannungsfeld, welches durch zusätzliche Verbraucher und neue Randbedingungen aufgespannt wird. Die auftretenden Wärmeströme bei den isothermen Zustandsänderungen erfordern ein Transportmedium. Da es sich in beiden Konfigurationen um eine quasistationäre Gasturbine zur Erzeugung elektrischer Leistung handelt, steht kein Nebenstrom zur Verfügung. Daher wird Luft aus dem Sekundärluftsystem benötigt. Die Bereitstellung dieser Massenströme erfordert konstruktive Maßnahmen und hat erheblichen Einfluss auf den Wirkungsgrad. Für die TFA resultiert daraus die Aufgabe, Konzepte zu erarbeiten, welche den Ressourcenkonflikt um die Sekundärluft auflösen sowie deren zweckmäßige Verteilung gewährleisten.

Durch die isochore Verbrennung herrscht am Turbineneintritt ein deutlich höherer Druck als am Verdichteraustritt. Die Kühl- und Sperrluft muss deshalb durch eine zusätzliche Verdichtung aufbereitet werden. Daher wird an der Professur untersucht, wie diese Verdichtung am besten und effizientesten gestaltet werden kann. Konkret werden Möglichkeiten der internen und externen Verdichtung mit Radialverdichtern betrachtet.

Wie für die Turbokomponenten ist auch für das Sekundärluftsystem der pulsierende Hauptstrom eine große Herausforderung. Denn auch bei den auftretenden Druckspitzen muss an der entsprechenden Station ein höherer Druck im Sekundärluftsystem herrschen, um das Eindringen von Heißluft in Schaufeln und Scheibenräume mit fatalen Folgen zu verhindern. Untersucht wird, ob die Wirkungsgradeinbußen durch ein konstant hohes Druckniveau im Sekundärluftsystem, welches durch zusätzliche Verdichtung nach der letzten Turboverdichterstufe erreicht wird, den hohen Aufwand eines ebenfalls pulsierenden Sekundärstroms rechtfertigt. Dazu werden die konstruktiven Maßnahmen wie Ausgleichsvolumina und Drosselventile sowie die erforderliche Regeltechnik bewertet, die erforderlich sind, um Haupt- und Sekundärstrom in allen Betriebspunkten phasengleich zu halten.

Neben dem Sekundärluftsystem bringt die Professur mit ihrer Erfahrung zu probabilistischen Methoden eine weitere Kernkompetenz in das Projekt ein. Sowohl für die Komponenten wie auch für das Gesamtsystem werden Robustheitsuntersuchungen vorgenommen. Dabei soll untersucht werden, wie Sensitiv die beiden Prozesse auf Eingangsgrößenstreuungen sind und wie man diese mögliche Empfindlichkeit reduzieren kann.

Forschende Partner:

Universität Stuttgart (Institut für Luftfahrtantriebe (ILA) & Institut für Thermodynamik der Luft- und Raumfahrt (ITLR))
Technische Universität Darmstadt (Fachgebiet Energie- und Kraftwerkstechnik
(EKT) & Fachgebiet Gasturbinen, Luft- und Raumfahrtantriebe (GLR))
Technische Universität Berlin (Fachgebiet Luftfahrtantriebe (LFA))
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (Institut für
Verbrennungstechnik (DLR-VT))
Bauhaus Luftfahrt e.V. (BHL)

Beratende Partner:

Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG
MTU Aero Engines AG

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