KEM Konstruktion 05.2017

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TRENDS MESS- & PRÜFSYSTEME FÜR DEN MASCHINEN- & ANLAGENBAU Abbildung des Prüftstandes, der in fünf Modelle mit dazwischen liegenden Schnittstellen unterteilt wurde, um die Simulation des komplexen Modells zu ermöglichen Bild: Lufthansa Technik Von der Simulation vorhergesagter Strömungsverlauf im Prüfstand bei statischen Bedingungen (oben) und bei Seitenwind (unten). Dies verschafft dem Engineering ein besseres Verständnis des Prüfstands unter realen Bedingungen, um die Überholung von Strahltriebwerken zu verfeinern Bild: Lufthansa Technik Modellierung des Prüfstands Die Ingenieure erzeugten jedes einzelne hexaedrische Teilgitter mit Ansys-Icem CFD, das Teil von Ansys Meshing ist. Die Erzeugung des Gitters war das größte Problem bei diesem Simulationsverfahren. Die Spezialisten von Lufthansa Technik verwendeten die Tools für die Gitterdiagnose und -reparatur, um während des gesamten Gittererzeugungsverfahrens eine hohe Gitterqualität aufrecht zu erhalten. Die Luft strömt durch den Einlass in den Prüfstand, wo sie beim Durchströmen der Schalldämpferkulissen beschleunigt wird. Die Umlenkschaufeln lenken den vertikalen Luftstrom ohne signifikante Beschleunigung um. Im weiteren Verlauf strömt die Luft durch das Turbulenzgitter, mit dem Ergebnis eines gleichmäßigeren Luftstroms und eines Abfalls des Totaldruckes. Anschließend führt das Triebwerk dem Luftstrom Energie zu, was Temperatur, Geschwindigkeit und Totaldruck nach dem Triebwerk erhöht. Daraus resultiert wiederum eine Beschleunigung der an dem Triebwerk vorbeiströmenden Luft, was als Ejektoreffekt bezeichnet wird. Im Anschluss daran tritt das Abgas durch Augmentor, Blast Basket und Abgasturm wieder aus dem Prüfstand aus. Die Ingenieure simulierten den Triebwerkstest unter zwei verschiedenen Randbedingungen. Der erste Satz Randbedingungen bestand daraus, dass am Einlass und Auslass des Prüfstands keine Luftbewegung stattfindet. Bei der zweiten Simulation wurde ein Seitenwind mit 20 m/s am Einlass und Auslass angenommen. Für die Seitenwindsimulation wurden zwar keine verschiedenen Windrichtungen und Windgeschwindigkeiten verwendet, aber es mussten zur Berücksichtigung von Seitenwinden Anpassungen am CFD- Modell vorgenommen werden. Die externen Randbedingungen, die nur bei der Seitenwindsimulation benötigt werden, umfassen einen Einlass an der Vorderseite, einen Auslass auf der Rückseite und Opening-Randbedingungen an der linken, rechten sowie der Oberseite des Modells. Die interne Outlet-Randbedingung des Modells (Triebwerkseinlass) ist abhängig von der internen Inlet-Randbedingung (Triebwerksauslass). Der Massenstrom dieser Randbedingungen ist durch Funktionen auf der Basis des statischen Druckes und der Totaltemperatur an der Schubdüse des Triebwerks gekoppelt. Die Funktionen wurden aus Analysen thermodynamischer Kreisprozesse abgeleitet. Diese Funktion erhöht die Genauigkeit des Modells, wenn das Triebwerk seinen Arbeitspunkt in Abhängigkeit von den Bedingungen im Prüfstand ändert. Validierung der Simulation Zum besseren Verständnis der Ergebnisse müssen aus der Prüfstandssimulation lediglich die Randbedingungen am Einlass und Auslass des Triebwerkes bestimmt werden. Jedoch wollten die Ingenieure von Lufthansa Technik das gesamte Modell validieren – einschließlich seiner Fähigkeit, Drücke und Geschwindigkeiten an jedem Punkt im Lösungsbereich vorherzusagen –, so dass diese Informationen auch zur Beurteilung vorgeschlagener Änderungen am Prüfstand verwendet werden können. Das Prüfstandsmodell wurde durch Vergleich der Simulations- mit Messergebnissen des statischen Druckes an verschiedenen Punkten innerhalb des Augmentors validiert. Die Abweichung zwischen den Simulations- und Prüfergebnissen war verhältnismäßig gering (-0,05 bis -1,33 % an vier verschiedenen Punkten), doch man will weiter an Verbesserungen der Genauigkeit durch die Verfeinerung des Gitters im Bereich des Blast Baskets und weiter stromabwärts arbeiten. Das Prüfstandsmodell kann bald angewendet werden, um Randbedingungen für Triebwerkssimulationen als Teil der Bestimmung des Arbeitsumfanges für Überholungen zu ermitteln. Simulationen des Triebwerks im Prüfstand werden den Ingenieuren dann dabei helfen, die Leistung überholter Triebwerke weiter zu verbessern und den Arbeitsumfang mit Blick auf mögliche Kosteneinsparungen zu verfeinern. So kann der Kunde etwa vorgeben, dass das überholte Triebwerk im Prüfstand eine bestimmte Abgastemperatur nicht überschreiten darf. Möglich ist dann, die Auswirkungen verschiedener Arbeitsumfänge auf die im Prüfstand gemessene Abgastemperatur besser zu beurteilen. Das Prüfstandsmodell wird zudem verwendet, um das Prüfstandsdesign selbst zu verbessern und den Einfluss unterschiedlicher Sensorpositionen bei bestimmten Tests zu beurteilen. Durch die vielfältige Verwendung von Simulationen verbessert Lufthansa Technik damit nicht nur die Leistung von Strahltriebwerken für die Kunden, sondern verfeinert auch interne Prozesse zur Kosteneinsparung. Die Simulationsgenauigkeit reduziert das Risiko und erhöht die Wettbewerbsfähigkeit des Unternehmens. co www.ansys-germany.com Details zu Ansys Meshing: http://hier.pro/psfpu 42 K|E|M <strong>Konstruktion</strong> 05 2017
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