Triebwerksleis­tungsrechnung von Triebwerken der nächsten Generation - MAPLE

Projektleiter:                     Prof. Dr.-Ing. habil. Ronald Mailach
Bearbeiter:                        Dipl.-Ing. Marcus Wiegand
Laufzeit:                             10/2023 – 09/2026

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Motivation

Die Reduktion klimaschädlicher Emissionen ist ein zentrales Ziel der heutigen Luftfahrtindustrie. Geeignete Ansätze sind emissionsoptimierte Flugprofile und der Einsatz neuartiger Antriebstechnologien. Dazu gehören hybrid-elektrische und wasserstoffbetriebene Triebwerke sowie fortschrittliche Thermalmanagementsysteme. Um ihr Potenzial schnell beurteilen und quantifizieren zu können, werden leistungsfähige 0D-Triebwerksleistungsrechnungen benötigt, mit denen die Triebwerke im Auslegungspunkt und im Off-Design berechnet werden können.

Die mit den Annahmen für Eingangsparameter und Modellungenauigkeiten verbundenen Unsicherheiten sollten quantifiziert und während des Entwurfsprozesses neuartiger Triebwerkskonzepte berücksichtigt werden.

Die Eingangsparameter sowohl der Triebwerkskomponenten als auch der Flugmissionen können optimiert werden, um die Klimaauswirkungen von Triebwerken der nächsten Generation zu minimieren.

Methodik

Aus diesem Grund entwickelt die Professur für Turbomaschinen und Flugantriebe der Technischen Universität Dresden das modulare 0D-Triebwerksmodell Maple ("Modular Aircraft Engine Performance for Sustainable Aviation"), mit dem neuartige Konfigurationen erstellt, Leistungsberechnungen durchgeführt sowie Emissionen und Klimaauswirkungen von konventionellen und neuartigen Antriebskonzepten entlang realistischer Flugmissionen abgeschätzt werden können. Besonderer Wert wird dabei auf einen flexiblen, modularen Aufbau gelegt, sodass das Modell einfach um zusätzliche Komponenten und neue Konfigurationen erweitert werden kann. Es wurden bereits etablierte konventionelle Konfigurationen und verschiedene (hybrid-) elektrische Konfigurationen implementiert. Die Validierung gegenüber einer etablierten kommerziellen Referenz zeigt Abweichungen von deutlich unter einem Prozent.

Analyse

Der modulare Aufbau und die leichte Anpassbarkeit des Tools sind ideal für die effiziente Auslegung und Berechnung von modernen und zukünftigen Flugzeugtriebwerken. Es ermöglicht die schnelle und umfassende Bewertung von neuen Konzepten in der ersten Entwurfsphase. Das Tool ermöglicht die Abschätzung der Auswirkungen der Triebwerke auf den Treibstoffverbrauch und die Emissionen der Flugmission und damit auf das Klima.

Ein exemplarischer Vergleich zwischen einem konventionellen Turbofan-Triebwerk und einem parallelen hybrid-elektrischen Triebwerk zeigt, dass mit fortschrittlichen elektrischen Technologien und Batterie-Energiedichten bei kürzeren Flugmissionen Treibstoffeinsparungen erzielt werden können. Unter der Annahme aktueller Batterien, der Berücksichtigung von Thermalmanagementsystemen und bei längeren Flugmissionen verschwinden diese Einsparungen jedoch.

Veröffentlichungen

Wiegand, M., Schuchard, L., Krüger, T., Mailach, R.:
"Development of a Modular Engine Performance Calculation Tool for Prediction of Conventional and Hybrid-Electric Aircraft Engines“ ASME TURBO Expo 2024, London, GT2024-125821.

Krüger, T., Wiegand, M., Condriuc, I., Schuchard, L, and Mailach, R.: “Ein Modulare Leistungsrechnungsprogramm für konventionelle und hybrid-elektrische Flugantriebe“, Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress, 2023, Stuttgart, Deutschland.

Wiegand, M.: "Entwicklung eines Berechnungsprogramms für disruptive hybrid-elektrische Flugantriebe.", StuFoExpo 2022, TU Dresden, 2023. DOI 10.25368/2023.45