Aktuelle Projekte

Turbo-Fuel-Cell (TFC)

TFC-Projekt beschäftigt sich mit einem kombinierten Prozess aus Gasturbine und Hochtemperaturbrennstoffzelle (hier Solid Oxide Fuel Cell). In diesem Prozess wurden die Abwärme, die durch die elektrochemischen Prozesse in der Brennstoffzelle entstanden sind, zurück in die Gasturbinenkreislauf zurückgekoppelt, wodurch weniger Wärme, die in der Brennkammer durch die Verbrennung in den Prozess eingeführt werden, zur Erhöhung der Lufttemperatur auf die Turbineneintrittstemperatur benötigt werden. Die restlichen Brennstoffe aus der Anodenseite der Brennstoffzelle, die einen geringen Heizwert aufgrund des Vorhandenseins der nicht brennbaren Gasanteile aufweist, werden durch fortgeschrittene Brennertechnologie weiter umgesetzt, und die thermische Energie zur Erhöhung der Lufttemperatur verwendet.

FTD fungiert in diesem Projekt hauptsächlich in drei Bereichen:

  1. Auslegung eines Hochtemperaturwärmetauschers zur Vorwärmung der Luft auf eine für die Brennstoffzelle geeignete Kathodeneingangstemperatur (von ca. 600 °C auf 700 °C).
  2. Heat Transfer Analyse für relevante Komponenten, deren Wärmemanagement von großer Bedeutung ist. Intensivierung des konvektiven Wärmeübergangs durch die Oberflächengestaltung. Als Schwerpunkt wurde die Wärmeübergang und der Verbrennungsprozesse in porösem Medium untersucht.
  3. Entwicklung des Brennerkonzeptes zur Verbrennung niederkalorischen Brennstoffe mit Hilfe von folgenden drei Maßnahmen
    • Micro-Mixing plus starke Vorwärmung der Luft- und Gasseite
    • Verbrennung im porösen Medium
    • Katalytische Verbrennung (Metallmonolith-Katalysator)

Anfangsdatum: 2020

Verantwortlicher Forscher: Tianxiao Xie

Thermische Modellierung hybrid-elektrischer Komponenten auf Systemniveau

Das Ziel dieses Haushaltsprojekts ist es, anhand einer markt- und forschungsrelevanten Applikation für das Jahr +2035, Erkenntnisse über das thermale Verhalten von hybrid-elektrischen Komponenten zu erhalten. Jenes geschieht anhand eines elektrifizierten Saab 340. Es werden repräsentative Modelle des Elektromotors, der Batterie sowie der Leistungselektronik als Wärmequellen erzeugt und mit verfügbaren Wärmesenken (z.B. Luft, Kraftstoff etc.) sinnvoll kombiniert. Jenes geschieht unter anderem durch die Integration von speziellen Wärmetauschern und Peripheriegeräten (Pumpen, Bläser etc.).

Die Modellierung dieses Zusammenspiels von thermischen Quellen und Senken erlaubt die Formulierung von Potentialen und Grenzen und kann für anschließende Optimierung auf Komponenten und Systemlevel verwendet werden. 

Die Forschungsaktivitäten lassen sich durch folgende Punkte abbilden:

  • Leistungsanalysen von konventionellen, hybriden und vollelektrischen Flugzeugen (batterieelektrisch) mit Gasturb
  • Modellierung eines äquivalenten Schaltungsmodells (ECM) für Lithium-Ionen-Batterien mit Matlab/Simulink
  • Thermische Batteriemodellierung für eine repräsentative Flugmission einschließlich Rekuperation mit Simscape
  • Entwurf eines thermischen Managementsystems für Batterieanwendungen mit verschiedenen Kühlkörpern und Kühlzyklen
  • Benutzerdefinierte Erstellung von Simscape-Komponenten
  • Verlustmodellierung und Bewertung von Elektromotoren (PMSM, IM) für die (hybrid)-elektrische Luftfahrt
  • Modellierung eines repräsentativen Motormodells unter Berücksichtigung von Verlusten und Wärmeübertragung mit Simscape
  • Analyse verschiedener hybrid-elektrischer Antriebsstrangkonfigurationen unter Berücksichtigung des aktuellen Forschungsstandes sowie prognostizierter Entwicklungen bis +2035 zur Identifikation effizienter Antriebsstrangtopologien

Anfangsdatum: 2019

Verantwortlicher Forscher: Paul König

Flexible Wandstrukturen für akustische Liner

Im Rahmen des Verbundvorhabens „Flexible Wandstrukturen für akustische Liner“ soll die Eignung neuartiger Materialien für die Herstellung akustisch-dämpfender Wandelemente (Liner) untersucht werden. Diese werden im Triebwerkseinlauf, sowie im Bypassduct eingebaut, um die auftretenden Geräuschemissionen von z.B. Fan und Düse zu reduzieren. Zukünftige Triebwerke tendieren zu einer Vergrößerung des Fans und damit zu einer Reduktion der Drehzahl. Die Folgen sind im Vergleich zum Status quo tiefere Frequenzen mit einem breitbandigeren Charakter. Neue Liner Konzepte müssen deshalb angepasst werden, um den veränderten akustischen Bedingungen weiterhin zu genügen.

Diese soll durch die Auswahl geeigneter Strukturen und Materialien (z.B. Harzsysteme mit inhärenter Dämpfung) geschehen. Dadurch wird sowohl eine Verbreiterung des wirksamen Frequenzbereiches als auch eine verbesserte Gesamtdämpfung gegenüber konventionellen Linern erreicht und somit eine Reduzierung der Lärmemissionen von Triebwerken.

Die Auslegung, Entwicklung und Fertigung der neuartigen Liner soll am Beispiel von zwei verschiedenen Dämpfer-Konzepten erfolgen. Das erste Konzept wird in seiner klassischen Form schon über Jahre erfolgreich in der Luftfahrt eingesetzt, und als Helmholz -Resonator-Liner (HR-Liner) bezeichnet. Das eigentliche Wirkprinzip ist eine Mischung aus einem klassischen Helmholtz-Resonator und einem λ/4-Resonatoren mit zusätzlicher Dämpfung bei der Durchströmung der Deckschicht. Bei diesem Linerkonzept soll durch Verwendung von Kunststoffen als Zellkammerwand neben der Eigendämpfung des neuen Materials ein zusätzlicher Effekt durch flexible Zellkammerwände erreicht werden. Es ist zu erwarten, dass sich bei geeigneter Auslegung eine Verbreiterung des wirksamen Frequenzbereiches erreichen lässt.

Als zweites Konzept soll eine im Luftfahrt-Bereich bisher nicht verwendete Form von Membran-Resonatoren untersucht werden. Der Membran-Resonator-Liner verspricht ebenfalls ein breitbandiges Dämpfungsverhalten, ist aber hinsichtlich seiner akustischen Eigenschaften und Materialparameter zuvor eingehend zu untersuchen, um eine geeignete Auslegung für eine geplante Anwendung im Triebwerk umzusetzen.

Von großer Bedeutung für den Erfolg des Vorhabens und den potentiellen Einsatz der neuartigen lärmabsorbierenden Kunststoffstrukturen ist die Berücksichtigung der Anforderungen aus der Triebwerksintegration, der zu erwartenden Umgebungs- und Betriebsbedingungen und eine erste Analyse möglicher Fertigungsverfahren.

Die Berücksichtigung der vielen Einzelaspekte für die Auslegung der zu untersuchenden Probenkörper, die im Rahmen des Projekts strömungsakustisch vermessen und im Vergleich zu konventionellen Linern bewertet werden, sichert den Bezug zum Gesamtsystem „ökoeffizientes Flugzeugtriebwerk“ und zeigt bereits in einem frühen Stadium detailliert Potentiale und mögliche Schwachstellen der Kunststoffstrukturen auf. Das Verbundvorhaben bündelt die Expertise des Lehrstuhls Flug- Triebwerksdesign im Bereich der Gesamttriebwerksintegration und ermöglicht damit die umfassende Untersuchung dieses innovativen Linerkonzepts.

Anfangsdatum: 2021

Verantwortlicher Forscher: Michael Pohl

Sichere und zuverlässige elektrische und thermische Netzwerke für hybrid-elektrische Antriebssysteme (ETHAN)

ETHAN-Projekt beschäftigt sich mit der Auslegung, Management und Systemtest hochintegrierter elektro-thermischer Systeme. FTD befasst sich in diesem Projekt mit dem Aufbau eines thermischen Netzwerks zwecks Thermomanagement des hybrid-elektrischen Antriebssystems. In diesem Thermomanagementsystem sollte das thermische Verhalten derjenigen Komponenten, deren Temperaturen ständig überwacht werden müssen, modelliert und das Zusammenspiel von denen auf Systemniveau untersucht. Die Wahl der Kühlkonzepte, die eventuell die Architektur des gesamten Thermomanagementsystems beeinflussen werden, werden in diesem Projekt genau betrachtet. Alle möglichen Fehlersituationen während des Flugs und die daraus folgenden Verhalten des Thermomanagementsystems werden für eine sichere und zuverlässige Mission untersucht.

Anfangsdatum: 2022

Verantwortlicher Forscher: Tianxiao Xie

Thermische Netzwerke für Hybrid-Elektrische Antriebssysteme

Das übergeordnete Ziel von ETHAN-Projekt (Elecktrische und Thermische Netzwerke für Hybrid-Elektrische Antriebssysteme) ist die Entwicklung neuer, gekoppelter elektrischer und thermischer Systemarchitekturen für hybrid-elektrische Flugzeuge, um die im europäischen Strategiedokument "Flight Path 2050" formulierten Ziele einer umweltfreundlichen Luftfahrt zu erreichen.

Das Projekt befasst sich hauptsächlich mit der Modellierung des thermischen Netzwerks und der Optimierung des Kühlsystems der elektrischen Komponenten. Zu den technischen Zielen gehört die vollständige Beschreibung aller thermisch relevanten Netzwerkkomponenten, d.h. der Komponenten des Kühlsystems und insbesondere der Komponenten des elektrischen Antriebssystems. Anhand der Komponentenmodelle sollen thermische Netzwerke für verschiedene Systemkonfigurationen entwickelt und anschließend stationäre und instationäre Betriebszustände analysiert werden. Mit Hilfe von Optimierungsstrategien soll die bestmögliche Auslegung entsprechend den Anforderungen gefunden werden.

Anfangsdatum: 2022

Verantwortlicher Forscher: Karunakar Reddy Konda

Entwurf eines Wärmetauschers für hybrid-elektrische Flugmotoren im ETHAN-Projekt

Wärmetauscher sind in Luft- und Raumfahrtanwendungen und in der unternehmenskritischen Luftfahrt von entscheidender Bedeutung. Die Entwicklung von Wärmetauschern für hybridelektrische Anwendungen ist ein aufstrebendes Gebiet. Meine Forschung umfasst die Entwicklung eines mehrskaligen, strukturbelasteten Wärmetauschermodells für das ETHAN-Projekt (Elecktrische und Thermische Netzwerke für Hybrid-Elektrische Antriebssysteme). Das übergeordnete Ziel von ETHAN ist die Entwicklung einer neuen, gekoppelten elektrischen und thermischen Systemarchitektur für hybrid-elektrische Flugzeuge, um die im europäischen Strategiedokument „Flight Path 2050“ formulierten Ziele einer umweltfreundlichen Luftfahrt zu erreichen.

Zu den technischen Zielen meiner Forschung gehören die thermomechanische Modellierung der transienten Betriebszustände des Wärmetauschermodells, die mechanische bzw. konstruktive Auslegung inklusive Betriebs- und Wartungsbetrachtungen sowie Fertigungsbetrachtungen mit Kostenschätzungen. Das Obige wird mit Ergebnissen aus der Wärmeübertragungs- und Druckabfallanalyse gekoppelt, um das gesamte funktionale Wärmetauschermodell zu bestimmen. Meine Arbeit dient auch dazu, die grundlegenden Ausfallarten des Wärmetauschers gemäß den Sicherheitsstandards ARP4754 und den CS23-Zertifizierungsstandards zu verstehen. Abschließend werden Optimierungsstrategien verwendet, um die bestmöglichen Designs gemäß den Anforderungen und Problemspezifikationen zu finden.

Anfangsdatum:2022

Verantwortlicher Forscher: Akilan Mathiazhagan

Abgeschlossene Projekte

  • Virtuelle Interdisziplinäre Triebwerksauslegung mit Integrativen Verfahren (VITIV)

Laufzeit: 2014-2020
Partner: EFRE Projekt

  • Engine Module Validators (ENOVAL)

Laufzeit: 2013-2017
Partner: im EU Projekt

  • Automatisierte Simulationssysteme und Methoden zur Optimierung von Hochleistungsgetrieben für Triebwerke (ASIMOV)

Laufzeit: 2015-2017
Partners: Rolls-Royce Deutschland Ltd. & Co KG

  • Lärmabsorbierende Kunststoffstrukturen (LAKS)

Laufzeit: 2016-2017
Partners: DLR, TU Dresden, Frauenhofer PYCO

  • Surface Heat Exchanger For Aero Engines (SHEFAE 2)

Laufzeit: 2016-2021
Partners: Rolls-Royce UK Ltd. & Co KG, PAULSTRA SNC (France), SPP (Japan), University of Tokyo (Japan)

  • Schubumkehrer-Systemintegration (SUSI)

Laufzeit: 2012-2014
Partners: Rolls-Royce Deutschland Ltd.& Co KG

  • Haupt Reduktion Getriebe HRG (PERFEKT)

Laufzeit: 2014-2014
Partners: Rolls-Royce Deutschland Ltd. & Co KG

  • Schubumkehrer (AEROSTRUCT)

Laufzeit: 2015-2015
Partners: Rolls-Royce Deutschland Ltd. & Co KG