HIGHER-LE - High-Lift Enhanced Research Leading Edge

HIGHER-LE - High-Lift Enhanced Research Leading Edge

Systemarchitekturen für ein HLFC-Absaugsystem eines Langstreckenflugzeuges

 

Fachgebiet:

Betätigungssysteme und Aktuatoren

Status:

Beendet

Startdatum:

01. Januar 2009

Enddatum:

31. März 2012

Einleitung

Um den Treibstoffbedarf zukünftiger Flugzeuge zu verringern, sind unterschiedliche Maßnahmen möglich. Auf Basis der Breguet'schen Reichweitenformel ist erkennbar, dass bei gegebener Reichweite Treibstoff u.a. durch eine Verringerung des Flugzeug­gewichtes, eine Verringerung des spezifischen Treibstoffverbrauchs (SFC) oder eine Erhöhung des Verhältnisses von Auftrieb zu Widerstand (Lift/Drag – L/D) eingespart werden kann.

laminare und turbulente Grenzschicht

An den umströmten Profilen von Flugzeugen bilden sich Grenzschichten aus, die zu­nächst laminar verlaufen, jedoch bei heutigen Verkehrsflugzeugen bereits frühzeitig umschlagen und turbulent werden. Der Grund für den Umschlag sind ae­rodynamische Instabilitäten. Turbulente Grenzschichten besitzen einen bis zu Faktor 10 höheren Reibungswiderstand im Vergleich zu laminaren Grenzschichten. Gelingt es diesen Umschlagspunkt weiter stromabwärts zu verschieben, so kann der aerodyna­mische Widerstand verringert werden und damit das Verhältnis L/D erhöht werden.

NLF/LFC/HLFC

Eine Möglichkeit der Laminarisierung der Profilumströmung ist die Verwendung von Profilen, die durch entsprechende Formgebung eine natürliche Laminarität (Natural Laminar Flow – NLF) erreichen. NLF ist jedoch bezüglich erreichbarer Reynoldszahlen und Pfeilwinkel begrenzt, so dass diese Profile für große Verkehrsflugzeuge nicht an­wendbar sind.

NLF/LFC/HLFC

Eine weitere Möglichkeit liegt in der aktiven Beeinflussung der Grenzschicht durch Ab­saugung. Sie bewirkt eine Dämpfung der aerodynamischen Instabilitäten und damit eine Laminarisierung der Strömung. Eine Absaugung über das gesamte Profil (Laminar Flow Control – LFC) stellt jedoch einen sehr hohen Aufwand bgzl. der Systemkomple­xität und Oberflächen dar. Zudem sprechen Platz- und konstruktive Gründe gegen die Installation eines Absaugsystems in die Wing Box.

Hybrid Laminar Flow Control (HLFC) ist eine Kombination von NLF und LFC. Die Ab­saugung erfolgt an der Vorderkante bis zum Vorderholm, d.h. eine Flügeltiefe von ca. 15 bis 20%. Hinter dem Vorderholm wird durch entsprechende Formgebung des Profils NLF realisiert. Der Umschlag zur turbulenten Strömung kann so auf 40 bis 60% Flü­geltiefe verschoben werden. Im Vergleich dazu erfolgt bei heutigen turbulenten Profi­len der Umschlag bei ca. 2 bis 3%.

HLFC realisiert also mit einem geringeren Aufwand als LFC eine deutliche Lami­narisierung der Strömung und ist durch die aktive Grenzschichtbeeinflussung auch bei gepfeilten Flügeln von Verkehrsflugzeugen anwendbar. Beim Einsatz von HLFC an Flü­geln, Leitwerken und Triebwerksgondeln wird eine Widerstandsreduktion von 10 bis 20% des gesamten Flugzeuges erwartet. Demgegenüber stehen jedoch zusätzliches Gewicht und Leistungsbedarf des Absaugsystems, welches die Nettoersparnis an Treibstoff vermindert.

In einer Vielzahl von Forschungsprojekten konnte die aerodynamische Machbarkeit ge­zeigt und operationelle Aspekte bzgl. De-/Anti-Icing und De-/Anti-Contamination grundlegend untersucht werden. Für einen zukünftigen Einsatz in kommerziellen Flug­zeugen ist es notwendig, den System- und Strukturaufwand zu minimieren.

Die Arbeiten am Institut für Flugzeug-Systemtechnik sollen einen Beitrag zu einem optimierten Absaugsystem auf Gesamtflugzeugebene leisten.

Absaugsystem

NLF/LFC/HLFC

Die Absaugung erfolgt durch eine doppelwandige Absaugstruktur mit einer porösen Außenwand und einer Innenwand mit Dosieröffnungen zur Einstellung der Absaugver­teilung. In der folgenden Absaugkammer, die mit der Saugseite des Verdichter ver­bunden ist, wird ein Unterdruck realisiert. Die Wellenleistung des Verdichters wird über einen Antriebsmotor aufgebracht.

Im Anschluss an den Verdichter wird die abgesaugte Luft über Verrohrung zu einem Verbraucher bzw. einem Auslass geführt. Der geforderte Luftzustand auf der Druckseite des Verdichters hängt von der Nutzung der Luft ab.

Systemarchitekturen

Für eine Anwendung am Flugzeug kommen die Vorderkanten verschiedener aerodyna­mischer Profile für die Absaugung in Frage: Tragflügel, Höhenleitwerk, Seitenleitwerk und Triebwerksgondeln. Dieses wird in der Grafik beispielhaft an einem Airbus A330 gezeigt.

Absaugflächen A330

Für den Entwurf eines optimierten Absaugsystems existieren unterschiedliche Freiheitsgrade. Insbesondere ist eine geeignete Unterteilung der Absaugflächen, die Anzahl und Lage der Verdichtern, die Art der Verdichter und Antriebe, sowie die Nutzung der abgesaugten Luft zu bestimmen. Für die Systemarchitekturen müssen ferner Sicherheits- und Zuverlässigkeitsaspekte berücksichtigt werden.

Arbeitsanteile des Instituts / studentische Arbeiten

Das Institut für Flugzeug-Systemtechnik ist im Projekt HIGHER-LE mit dem Entwurf und der Optimierung eines HLFC-Absaugsystems für ein Langstreckenflugzeug beauftragt. Die durchgeführten Arbeiten umfassen Entwurf und Bewertung von Systemarchitekturen, Berechnung stationärer Betriebspunkte, Modellierung und dynamische Simulation des Systems, Sensitivitätsstudien wichtiger Systemparameter, sowie Integrationsstudien.

Die Arbeitsinhalte sind interdisziplinär und umfassen u.a. die Fachgebiete Strömungsmaschinen, Antriebstechnik, Modellbildung und Simulation (MATLAB/Simulink, AMESim etc.), Sicherheit und Zuverlässigkeit, Optimierungsverfahren, Konstruktion und Integration. In vielen dieser Gebiete sind studentische Arbeiten möglich.

Projektinformationen

Das Projekt HIGHER-LE läuft im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogramms (LuFo) IV 2nd Call, das von Airbus Deutschland in Bremen geleitet wird. Im durchgeführten Arbeitspaket arbeiten Airbus, TUHH, RWTH Aachen und das DLR-AS eng zusammen.