Turbofantriebwerke mit Planetengetriebe für Schubklasse bis 350 kN

Abstract

Turbofantriebwerke mit Untersetzungsgetriebe (Getriebeturbofan) sind heute in der mittleren Schubklasse erfolgreich im Einsatz. Ziel dieser Arbeit ist es, Verbesserungspotenziale dieser Triebwerksart zu identifizieren, ein Skalierungsgesetz herzuleiten, mit dem sich wichtige Größen wie Schub und Fanleistung durch einfache Zusammenhänge berechnen lassen, und die Auswirkungen eines niedrigen Fandruckverhältnisses auf die Betriebsstabilität zu untersuchen. Dazu werden zwei Triebwerke vergleichend modelliert, wobei sowohl ein vereinfachtes analytisches Modell als auch das numerische Leistungsberechnungsprogramm GasTurb zum Einsatz kommen. Zur Stabilisierung des Betriebs bei niedrigen Fandruckverhältnissen werden zwei Konzepte variabler Geometrie vorgestellt: eine verstellbare Sekundärdüse sowie verstellbare Fanschaufeln. Deren Auswirkungen werden teilweise anhand von Vergleichsrechnungen aufgezeigt. Darüber hinaus werden drei mögliche Kreisprozessverbesserungen – Nutzung der Getriebewärme, Zwischenkühlung und Zwischenverbrennung – beschrieben und thermodynamisch bewertet. Auch hier dienen beide Modellierungsansätze dem Vergleich konkreter Zahlenwerte. Die Ergebnisse zeigen vielversprechende Potenziale, erfordern jedoch weiterführende Untersuchungen hinsichtlich Gewicht, Integration und Komplexität.

Geared turbofan engines are successfully in use today in the medium thrust class. This thesis aims to identify potential improvements for this engine type, derive a scaling law that enables key parameters such as thrust and fan power to be estimated using simplified relationships, and examine the effects of low fan pressure ratios on operating stability. To this end, two turbofan engines from different thrust classes are modeled and compared using both a simplified analytical approach and the performance analysis software GasTurb. To enhance stability at low fan pressure ratios, two variable geometry concepts are investigated: a variable area fan nozzle and a variable pitch fan. Their effects are partially demonstrated through comparative simulations. Furthermore, three potential cycle improvements – thrust increase due to gearbox heat, intercooling, and an interturbine burner – are described and thermodynamically evaluated. Both modeling approaches are used to assess and compare the resulting performance figures. The results indicate promising potential but also underline the need for further research regarding weight, system integration, and overall design complexity.