Projekt Düsenströmung

Standarddüse

Das Bauteil

Die Düse eines Turbojets setzt die verbleibende Strömungsleistung nach der Turbine in Schub um. Somit ist die Düse ein wichtiges Bauteil für den Vortrieb. Bei den meisten Triebwerken ist die Düse als separates Bauteil ausgeführt und somit leicht zu demontieren. Dadurch können ohne Modifikationen des Triebwerks selbst unterschiedliche Düsenbauarten getestet werden. Da die strukturellen Lasten relativ begrenzt sind, reichen wärmebeständige Stähle aus.

Das Ejektordüsenkonzept

Das Ejektordüsenkonzept beruht auf dem Wirkprinzip einer Strahlpumpe, wie man es von einem Bunsenbrenner kennt. Die schnelle austretende Strömung erzeugt Unterdruck, wodurch zusätzliche Luft von außen angesaugt wird. Im Mischrohr wird durch Impulsaustausch die langsame Strömung beschleunigt und die schnelle verzögert. Bei vollständiger Mischung verlassen Primär- und Sekundärmassenstrom mit gleicher Geschwindigkeit und Temperatur die Ejektordüse.

Prinzipskizze Ejektordüse

In die Gleichung der Strahlleistung der Strömung geht die Geschwindigkeit quadratisch und der Massenstrom linear ein, während in der Schubgleichung beide nur linear stehen. Somit erhält man durch höheren Massenstrom und geringe Strömungsgeschwindigkeit mehr Schub aus der gleichen Strömungsleistung.

Möglicher positiver EffektProbleme
  • Massenstromerhöhung bei gleicher Leistung

         → Mehr Schub/besserer TSFC

  • Verringerung der Abgastemperatur
  • Erhöhung Vortriebswirkungsgrad
  • Leicht Nachzurüsten/keine beweglichen Teile
  • Geringer Wirkungsgrad für Impulsaustausch
  • Starke Reduktion des Effekts bei Fluggeschwindigkeit

          → Rückwirkung auf den Kreisprozess

  • Veränderung der Druckverhältnisse am Düsenausgang
  • Zusätzliches Gewicht durch Anbau

Numerische Untersuchungen

In einer vorangegangenen Bachelorarbeit wurde bereits die Standarddüse eines 300N Triebwerks numerisch mit einem strukturierten Netz simuliert. In einer anschließenden Arbeit wurde die Simulationen mit einem unstrukturierten Netz gemacht und die Ergebnisse mit dem strukturierten abgeglichen. Danach wurde die Düse um einen Ejektor erweitert und verschiedene Parameter des Ejektors, wie z.B. Durchmesser, Länge und Einlassquerschnitt variiert.

Simulation Strömungsfeld Ejektordüse

Des Weiteren wurden auch Geometrievariationen der Düse selbst und des Innenkonus untersucht, um bestehende Strömungsablösungen und Verluste zu reduzieren.

Schlierenaufnahmen verschiedener Düsengeometrien

Experimentelle Untersuchung der Standarddüse

Am Teststand eines 200N-Triebwerks wurden sowohl Messwerte über den strömungstechnischen Zustand am Düsenaustritt erfasst, als auch mit Hilfe einer Schlierenoptik visuelle Aufnahmen der Strömung gemacht.

Vermessung verschiedener Düsengeometrien

Neben der Vermessung mit der Standarddüse wurden auch verschiedene Düsengeometrien untersucht, eine kürzere (2) und eine Chevrondüse (3). Neben der Erfassung des statischen Drucks direkt am Düsenaustritt, gaben Schlierenoptikbilder Aufschluss über den veränderten Strömungszustand. Besonders die Chevrondüse erzeugte einen nachweislich verstärkten Unterdruck hinter der Düse. Zusätzlich wurden die verbesserten Mischeigenschaften durch eine turbulentere Scherschicht deutlich.

 

 

 

Erprobung der Ejektordüse

Über die bisher erlangten zahlreichen theoretischen und praktischen Ergebnisse zum Thema Ejektor wurde im September 2015 im Rahmen des alljährlichen DLRG-Kongress ein wissenschaftliches Paper von der Projektgruppe veröffentlicht. Nach den darin vorgestellten Parametern soll jetzt ein Ejektordüsenprototyp für das 200N-Triebwerk konstruiert und gefertigt werden.

Ejektordüse ohne Mischer

Die Düse soll eine Schubsteigerung von 5–10 % erbringen. Dafür werden Schubmessung mit Variationen in Abstand der Ejektordüse und Länge des Mischrohrs durchgeführt.

Blütenmischererweiterung

Im späteren Verlauf soll die Ejektordüse um einen Blütenmischer an der Standarddüse des 200N-Triebwerks ergänzt werden. Durch die erhöhte Mischgeschwindigkeit und dem daraus folgenden kurzeren Mischrohr könnte die Schubverstärkung auf 15-20% gesteigert werden. Die Idee geht auf ein Patent von 1999 für das schubsteigernde AlternatingLobeMixerEjectorConcept (ALMEC-System) für Verkehrsflugzeuge mit kleinem Bypass zurück. Die Erprobung an einer Gulfstream GII ergab eine Standschuberhöhung um 7%. Durch die viel höhere Abgasgeschwindigkeit der kleinen Turbojets ist eine höhere Schubverstärkung zu erwarten.