Systemsimuleringar av framtida flygmotorer

Storlek: px

Starta visningen från sidan:

Download "Systemsimuleringar av framtida flygmotorer"

Lars-Erik Fredriksson
för 7 år sedan
Visningar:

1 Chalmers University of Technology Systemsimuleringar av framtida flygmotorer Tomas Grönstedt Chalmers / Volvo Aero Chalmers University

2 Systemsimuleringar av framtida flygmotorer Systemsimulering och konceptvärdering TERA2020, (Techno-economic, Environmental and Risk Assessment for 2020): - Multidisciplinär simuleringsmiljö utvecklad inom tre europeiska samarbetsprojekt, VITAL (EnVIronmenTALly Friendly Aero Engines), NEWAC (new aero engine core concepts) DREAM (Validation of radical engine architecture systems) Användning av TERA2020: Värdera motorer som studeras inom dessa projekt (konventionell 2- och 3-axlig, växlad fläkt, motroterande fläkt, mellankyld, mellankyld och avgasvärmeväxlad, aktiv kärna, flödesstyrd kärna, okapslade motorer) + Värdera teknologier och påverkan av teknologiutveckling på systemnivå Chalmers egenutvecklade system: Gestpan/GISMO/emissioner/iSIGHT NFFP-projekt Tillämpningsexempel

3 Systemsimuleringar av framtida flygmotorer Tillämpningsexempel Värmeväxlade motorer (TERA Chalmers/Volvo Aero-utvecklat simuleringssystem) Motor med variabelt kärnflöde (Chalmers/Volvo Aero-utvecklat simuleringssystem) Mellanöverhettade motorer (Chalmers/Volvo Aero-utvecklat simuleringssystem) Teknologivärdering (TERA2020)

4 Chalmers University of Technology TERA2020 discipliner/validering TERA2020 modeller från ett antal discipliner har integrerats: - Motor- och flygplansprestanda - Vikt och konceptutlägg av motorer - Buller - Emissioner - Tillverknings- och driftskostad

5 TERA2020 programarkitektur även utvecklat egna metoder

6 Chalmers University of Technology TERA2020 Partners (inom NEWAC-projektet) Hur har samarbetet i VITAL/NEWAC/DREAM gått till?

7 Chalmers University of Technology Tillämpningsexempel Värmeväxlade motorer (TERA Chalmers/Volvo Aero-utvecklat simuleringssystem) Motor med variabelt kärnflöde (TERA Chalmers/Volvo Aero-utvecklat simuleringssystem) Mellanöverhettade motorer (TERA Chalmers/Volvo Aero-utvecklat simuleringssystem) Teknologivärdering (TERA2020)

8 Chalmers University of Technology Mellankylda motorer Kan man räkna hem mellankylare i flygande motorer? Mellankylning ger möjlighet att: Öka tryckförhållande för given max.-temperatur i kompressorutlopp Minska kylluftsbehov Reducera emissioner

Konceptuell design av mellankyld motor Optimalt att introducera mellankylning relativt tidigt i kompressionsprocessen Högt tryckförhållande kräver 2-stegs högtrycksturbin 3.

9 Konceptuell design av mellankyld motor Optimalt att introducera mellankylning relativt tidigt i kompressionsprocessen Högt tryckförhållande kräver 2-stegs högtrycksturbin 3.4% minskning av bränsleförbrukning på ett kortdistansuppdrag Svårt att bibehålla tillräckliga bladhöjder i kompressorutlopp Xu, L. and Grönstedt, T., 2010, Design and Analysis of an Intercooled Turbofan Engine, ASME J. Eng. Gas Turbines Power, 132 (11) Förfinad studie pågår tillsammans med Rolls-Royce och Volvo Aero - Flödesfördelning externströmning - Minimering av strömningsförluster

10 Overview of the Intercooler Configuration (3D fluid dynamics model) Crossover duct Side view Heat Exchanger Tubes (Modelled by Porous Media) Heat Exchanger Tubes (Modelled by Porous Media) Side view Convergent outlet duct Divergent inlet duct in out

11 TERA2020 Avgasvärmeväxlad mellankyld växlad motor Avgasvärmeväxlat Konventionell kärna mellankylt växlat koncept Motorvikt Nominell +16.5% Bränsleförbrukning Nominell -21.6% Konstantinos G. Kyprianidis, Tomas Grönstedt, S. O. T. Ogaji, P. Pilidis, and R. Singh, Assessment of Future Aero-engine Designs With Intercooled and Intercooled Recuperated Cores, J. Eng. Gas Turbines Power, January 2011, Volume 133, Issue 1

12 Motor med variabelt flöde i kärnmotor Konventionell turbin Statorlös turbin Volvo Aero Patent, PCT/SE2007/ Statorlös turbin för att variera normaliserat massflöde Variabel ledskena för att variera varvtalet Tillåter högre tryckförhållande i cruise => högre termisk verkningsgrad => lägre bränsleförbrukning

13 Motor med variabelt flöde i kärnmotor Motroterande koncept Chalmers University of Technology Högre tryckförhållande på turbin => kan driva en högtryckskompressor med typiskt tryckförhållande Xu L. and Grönstedt, T., A Contra-rotating Variable Cycle Turbofan Engine, ISABE

14 Chalmers University of Technology Mellanturbinöverhettning / mellanturbinförbränning Att mellanturbinöverhettning ger effekttätare motorer är ett känt faktum det är inte lika omtalat att mellanförbränning dessutom kan ge effektivare flygmotorer!

15 Chalmers University of Technology Mellanturbinöverhettning För att en mellanturbinöverhettad turbofläkt skall kunna överträffa den konventionella turbofläkten i effektivitet, måste man elda tidigt under expansionen En praktiskt möjlig väg framåt är att realisera mellanturbinöverhettning i den 3-spoliga turbofläkten Richard Avellán (avhandling i röret ) GT , An Assessment of a Turbofan Engine Using Catalytic Interturbine Combustion. Richard Avellán, Tomas Grönstedt PCT/SE2007/001142

16 Chalmers University of Technology Teknologivärdering Koppla modulteknik till helmotor/flygplan Exempel: - Hur mycket kan förväntade framsteg inom lågtrycksturbinaerodynamik påverka framtida motorer - Hur mycket påverkar viktminskningen i en kall struktur CO 2 - minskning i framtida motorer

17 Chalmers University of Technology Teknologivärdering Direktdriven (DDTF) Växlad (GTF) Motroterande fläkt (CRTF)

18 Direct drive turbofan (long range configuration) Teknologivärdering Sensitivity (ΔX = 1%) Technology Objective Technology Failure Impact Weight and Aero Technology Objectives ΔCO 2 (%) ΔX (%) ΔCO 2 (%) Fan blade weight reduction Fan disc weight reduction Fan statics weight reduction Fan efficiency improvement Engine structures weight reduction through use of cold composites Engine structures weight reduction through use of titanium fabrication Hot structures weight reduction through materials and manufacturing techniques Shaft weight reduction through material change (allowable stress) Low pressure turbine ultra high lift (Zweifel number) Low pressure turbine ultra high aspect ratio Low pressure turbine ultra high stage load T. Grönstedt, K. Kyprianidis, S. O. T. Ogaji, D. Au, Low Pressure System Component Advancements and its Impact on Future Turbofan Engine Emissions, ISABE

19 Thank You for your attention and welcome to ISABE 2009

Relevanta dokument

GKN Aerospace Engine Systems Sweden AB

GKN Aerospace Engine Systems Sweden AB Erfarenheter från att delta i forskningsprogram Peter Langer, 207-02-07 GKN: A global engineering group Every day at GKN In numbers 56,000 employees Locations in