Semi-aktive Flatterunterdrückung durch aerodynamische Maßnahmen

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Ziel des Verbundprojekts:

SaFuMa ist ein Verbundprojekt mit dem übergeordneten Ziel, verschiedene Methoden hinsichtlich des Potentials zur Flatterunterdrückung an hochgestreckten Tragflügeln und Fanrotorschaufeln zu untersuchen und die zugrunde liegenden physikalischen Phänomene besser zu verstehen.

Die Tragflügel von modernen Verkehrsflugzeugen arbeiten im transsonischen Bereich. Obwohl das Flugzeug sich deutlich unterhalb der Schallgeschwindigkeit bewegt, treten durch die Beschleunigung der Strömung am Flügel lokale Bereiche mit Überschallgebieten auf. Zur Maximierung der aerodynamischen Güte weisen die Flügel von modernen Verkehrsflugzeugen immer höhere Spannweiten und Streckungen auf. Dadurch lässt sich der Widerstand und damit auch der Treibstoffverbrauch reduzieren, allerdings verringert sich durch die größere Spannweite des Tragflügels seine Biegesteifigkeit.

Die transsonische Umströmung kann zusammen mit den immer biegeweicheren Flügeln dazu führen, dass durch Einwirkung von Störungen (Geschwindigkeitszunahme, Anstellwinkelerhöhung, Böeneinwirkung) ein kritischer Zustand auftritt, der als Flattern bezeichnet wird. Aus der Wechselwirkung instationärer Luftkräfte infolge des in seiner elastischen Eigenform schwingenden Tragflügels (bewegungsinduzierte instationäre Luftkräfte) und der elastischen Kräfte sowie der Trägheitskräfte entsteht ein selbsterregtes schwingendes System. Eine Verstärkung der Flügelstruktur wirkt diesem Effekt entgegen, führt aber auch zwangsläufig zu einer größeren Masse.

Bei den Rotorschaufeln von modernen Turbofans mit hohem Nebenstromverhältnis, deren Durchmesser und Umfangsgeschwindigkeiten immer weiter steigen, kann der gleiche Effekt auftreten. Insbesondere die Rotationssymmetrie der Schaufelanordnungen ist hierbei sowohl für die Aerodynamik als auch für die Struktur interessant.

Für Tragflügel mit hoher Streckung und für zukünftige Triebwerksgenerationen ist es deshalb notwendig, die im Grenzbereich auftretenden aeroelastischen Phänomene zu beherrschen. Die Universität Stuttgart (Verbundführer), die TU Berlin, die TU München, die RWTH Aachen, die Universität der Bundeswehr München sowie das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt untersuchen gemeinsam sowohl numerisch als auch experimentell verschiedene Maßnahmen, um die Luftfahrt umweltfreundlicher zu machen und die Flugbereichsgrenzen zukünftiger Verkehrsflugzeuge zu erweitern.

Forschung im Verbundprojekt:

Flattern ist ein dynamisches aeroelastisches Phänomen mit einer Wechselwirkung aus instationären Luftkräften, elastischen Kräften und Trägheitskräften. Sowohl am Tragflügel als auch am Fanrotor muss ein tiefes Verständnis für die aerodynamischen Effekte und die strukturelastischen Effekte sowie die Interaktion dieser beiden Disziplinen vorhanden sein. Bei experimentellen Untersuchungen müssen im Windkanal nicht nur die Strömungsgrößen, sondern auch die zeitabhängigen Verformungen und Auslenkungen des Modells korrekt erfasst werden. Außerdem muss sichergestellt werden, dass das untersuchte Modell repräsentativ für den untersuchten Anwendungsfall ist, und nicht etwa durch Skalierungs- oder Windkanaleffekte beeinflusst wird. Für zeitaufgelöste numerische Untersuchungen muss ein Fluid-Solver (CFD) mit einem Strukturmodell gekoppelt werden. Da diese Kopplung die Komplexität und auch den Rechenaufwand stark erhöht, kann als Näherung eine linearisierte Systembetrachtung auf Basis der aerodynamischen Reaktion auf eine Geometriedeformation durchgeführt werden. Jede Methode unterliegt dabei eigenen Annahmen und Vereinfachungen. Die Ergebnisse der verschiedenen Ansätze werden zum Vergleich und zur Validierung untereinander genutzt.

Die Universität Stuttgart, die RWTH Aachen und die TU Berlin untersuchen das Potential zur Verschiebung der Flattergrenze durch Konturbeulen („Bumps“), die auf die Oberfläche des Tragflügels oder des Fanrotors aufgesetzt werden. Mit diesen lokalen Konturbeulen auf der Flügeloberseite ist es möglich, die Stoßcharakteristik im transsonischen Bereich und damit auch die Druckverteilung des Flügels bzw. der Rotorschaufel zu beeinflussen. Diese veränderte Druckverteilung wirkt sich direkt auf das System auf das Fluid-Struktur-System aus. Aufgrund von Vorarbeiten der Projektpartner mit Konturbeulen ist davon auszugehen, dass sich so die Grenzen des Betriebsbereichs zu höheren Geschwindigkeiten und Anstellwinkeln verschieben lassen. Für den Tragflügel werden dabei in SaFuMa das OAT15A-Profil (bekannt für die Untersuchungen zum verwandten Phänomen des Buffets) und die DLR-F25-Konfiguration betrachtet. Für den Fanrotor werden NACA-Profile und die NASA Rotor 67 – Konfiguration genutzt. Bei den numerischen Untersuchungen werden sowohl RANS-Rechnungen als auch skalenauflösende Simulationen verwendet. Parallel dazu werden Windkanalexperimente durchgeführt, um die Ergebnisse zu validieren.

Die TU München verfolgt zusammen mit der Universität der Bundeswehr München den Ansatz, mit bereits vorhandenen Steuerflächen die Flattereigenschaften des Tragflügels zu verbessern. Durch gezielte Ausschläge von Spoilerelementen und Flügelhinterkantenklappen ist es ebenfalls möglich, die Stoßcharakteristik auf der Flügeloberseite zu beeinflussen. Ähnlich zur Wirkung der Bumps soll so eine Flügelgeometrie entstehen, deren Flattergrenze höher liegt als die des Referenzflügels. Es werden sowohl numerische Simulationen als auch Experimente im Windkanal durchgeführt.

Das Institut für Aeroelastik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt nimmt dabei eine zentrale Rolle im Bereich der Flatteranalyse ein. Zusammen mit den Ergebnissen der anderen Projektpartner werden mithilfe von linearisierten Betrachtungen und modalen Strukturmodellen die Aerodynamik und die Strukturelastizität zusammengeführt, um Aussagen über die Flattereigenschaften des Gesamtsystems treffen zu können.

Mehrere industrielle Partner unterstützen SaFuMa mit ihren langjährigen Erfahrungen und ihrem Bezug zur industriellen Praxis und stehen zur Beratung zur Verfügung.

Im Rahmen des Verbundforschungsprojekts SaFuMa konzentriert sich die Universität der Bundeswehr München auf die experimentelle Analyse der Wirkung von Spoilern und Steuerflächen auf strömungsphysikalische Effekte sowie die Verschiebung der Flattergrenze. Zunächst werden die im Verbund definierten aerodynamischen Maßnahmen an einem starren 2D-Modell untersucht, um optimale Positionen, Größen und Ausstellwinkel zu ermitteln, die zu reduzierten Amplituden der Stoßoszillation bei transsonischen Anströmbedingungen führen. Die Identifikation effizienter aerodynamischer Konzepte erfolgt in enger Zusammenarbeit mit den Projektpartnern. Die vielversprechendsten Konfigurationen werden anschließend in der Hauptphase des Projekts mit einem frei schwingenden 2D-Flügelmodell und modernen optischen Strömungsmessverfahren im Trisonischen Windkanal München (TWM) experimentell analysiert. Durch Variation der Machzahl und des Anstellwinkels wird quantifiziert, wie die aerodynamischen Maßnahmen die Flattergrenze beeinflussen. Durch gezielte Variation der strukturellen Eigenfrequenz kann die Kopplung zwischen Fluid und Struktur angepasst werden, wodurch sich die verschiedenen aerodynamischen Konzepte bewerten und vergleichen lassen. Zur Beurteilung der Übertragbarkeit auf realistische Flügel werden ausgewählte Spoiler- und/oder Steuerflächenkonfigurationen zusätzlich an einem gepfeilten 3D-Flügel untersucht, um ihr Potenzial zur Unterdrückung von Flatterneigung zu bestimmen.