Aerodynamic Design and Performance of an Over-Wing Low Pressure Ratio Fan Stage

Beschreibung

Future aircraft configurations will likely differ from conventional tube-wing designs. This is motivated by current forecasts in which passenger numbers will almost double by 2035 albeit with adverse effects on the environment. Therefore, new technologies are required to counteract the impact on emissions. Engine technologies available in the short term (2025-2030), such as the so-called second-generation ultra-high bypass ratio (UHBR) geared turbofan engines, may reduce the fuel burn by up to 30%. Boundary layer ingesting engines are rather revolutionary technologies and should be available in the midterm (beyond 2035). It is considered that another 10% fuel burn reduction is achievable. The Coordinated Research Centre (CRC) 880 at TU Braunschweig established an aircraft variant as a midterm solution. The CRC880 REF3 aircraft is for short-haul flights and has a conventional tube-wing fuselage with over-wing mounted UHBR engines. The engines are partly embedded in the aircraft wing, offering several advantages but with challenges for the engines due to the inlet flow field. The present thesis aims at evaluating the inlet flow pattern due to the particular over-wing mount and highlighting the potentials to reduce the associated performance degradation. A complete design loop from the REF3 aircraft to a suitable low pressure fan is further reported. The main objectives are, first, to design a transonic low pressure fan stage of an UHBR engine based on best practice from open literature. Second, the evolving mechanisms of the over-wing engine mount are explored to determine the fan performance and aerodynamics degradation. For that, it is compared with other inflow patterns from an undistorted case, an over-wing podded REF3 aircraft and a blended wing body. Thirdly, the potential improvement of a distortion customized stator redesign are presented. The developed preliminary fan stage at top-of-climb achieves a peak efficiency of 87%. Rotor sections at cruise reach efficiencies of up to 95%. Numerical simulations of the full-annulus of the over-wing mount indicate that the isentropic efficiency drop exceeds 10%, while for a blended wing body, it is only two-third of this value. The inflow analysis shows an extreme severe local distortion due to the part-embedding and non-axisymmetric intake. The flow is straightened by the rotor showing a reduction in total pressure distortion of 22% as an upstream effect. However, the entire circumference in front of the rotor is affected due to the mass flow redistribution to the distorted area. This is caused by a static pressure sink. Nevertheless, the rotor compensates for the blockage. A loss analysis reveals that there is an equal share between rotor and stator, causing the efficiency drop. Based on that, the stator is redesigned by correcting the global incidence swing and, finally, by accounting for the local distortion explicitly. In a loss breakdown analysis, the upstream effect of the stator redesign is shown. A more considerable work input is required by the rotor and needs to be balanced with the stator improvements. Despite a rotor efficiency drop of 0.7%, one-third of the initial stage efficiency degradation due to the local distortion is recovered with the final circumferential asymmetric stator row design.
Das Passagieraufkommen wird sich bis 2035 voraussichtlich verdoppeln, sodass zukünftige Flugzeugkonfigurationen mit hoher Wahrscheinlichkeit eine andere Architektur aufweisen werden als heutige Flugzeuge. Die damit verbundenen nachteiligen Umwelteinflüsse müssen Zukunftstechnologien entgegenwirken. Die zweite Generation der Triebwerke mit sehr großem Nebenstromverhältnis soll bis 2030 den Brennstoffverbrauch um bis zu 30% reduzieren können. Revolutionäre Technololgien wie Triebwerke, die die Grenzschicht einsaugen und reenergetisieren, können ab 2035 verfügbar sein und den Verbrauch um weitere 10% senken. Der Sonderforschungsbereich (SFB) 880 hat ein Kurzstreckenflugzeug entwickelt, welches mittelfristig realisierbar wäre. Es hat eine klassische Flügel-Rumpf Anordnung mit Triebwerke, die über den Flügeln montiert sind. Bei dem sogenannten SFB880 REF3 Flugzeug sind die Triebwerke teileingebettet in die Flügel. Die vorliegende Dissertation hat das Ziel die durch die Teileinbettung auftretenden Effekte genauer zu untersuchen und Potentiale zu ermitteln, die den zu erwartenden Effizienzeinbruch verringern. Daher ist der komplette Entwurfsprozess vom Flugzeug bis zur Fanstufe erklärt. Der Entwurf basiert auf bewährten Methoden, die in der öffentlichen Literatur zugänglich sind. Die Auswirkungen der Zuströmung auf das globale Leistungsverhalten sowie im Detail auf die Fanaerodynamik sind beschrieben. Zusätzlich werden Vergleiche zu einer ungestörten Zuströmung, einer aufgestiehlten Variante und einem Nurflüglerkonzept gemacht. Zuletzt werden Methoden für eine angepasste Statorreihe entwickelt. Die entworfene Fanstufe erreicht einen Wirkungsgrad im Steigflug von 87%. Der Großteil der Rotorprofile erreicht im Reiseflug sogar einen lokalen Wirkungsgrad von bis zu 95%. Zur Analyse der Zuströmungstörung durch die Teileinbettung werden numerische Vollkranzsimulationen durchgeführt. Sie ergeben einen Einbruch des Wirkungsgrades um gut 10%. Der Einbruch aufgrund der Zuströmung des volleingebetteten Nurflüglers ist um ein Drittel geringer. Bei genauerer Analyse zeigt sich eine sehr starke lokale Zuströmstörung aufgrund der Teileinbettung und des nicht-rotationssymmetrischen Einlaufs. Der Fanrotor kann die Strömung im Einlauf teilweise gleichrichten, sodass die Totaldruckstörung um 22% abnimmt. Dennoch ist die gesamte Strömung vor dem Rotor beeinflusst. Dies ist auf die Massenstromumverteilung zur Störung hin zum niedrigen statischen Druckbereich zurück zu führen. Eine Verlustanalyse zeigt, dass sowohl Rotor wie auch Stator im gleichen Maße dazu beitragen, dass der Wirkunggrad absinkt. Darauf aufbauend wird der Stator neu entworfen, indem zunächst die globale Fehlanströmung ausgeglichen wird. Abschließend werden die Statoren im gestörten Bereich separat ausgelegt. Die neu entworfenen Statoren haben einen stromauf Effekt auf das Leistungsverhalten des Rotors. Deshalb ist ein größerer Arbeitsaufwand vonnöten, welcher von der Verbesserung der Statoreffizienz ausgeglichen werden muss. Trotzdem der Rotorwirkungsgrad um 0.7% abfällt, kann ein Drittel des ursprünglichen Wirkungsgradeinbruchs durch die finale umfangsassymtrische Statorreihe wiederhergestellt werden.

Autor*in

Daniel Giesecke

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Fan design Full-annulus simulation Inlet distortion Stator aerodynamics Transonic

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