Expertise auf höchstem Stand der Technik

Forschungs- und Prüfeinrichtungen

Mit unseren Einrichtungen wie Höhenprüfstand, Nieder-Machzahl-Turbinenprüfstand, Strömungslabor und Wasserkanälen bieten wir unseren Partnern Unterstützung durch modernste Simulations- und Testgeräte.

Verdichterschaufel nach Strahlerosion
Verdichterschaufel nach Strahlerosion
Digitalisierte Oberfläche einer erodierten Schaufel
Digitalisierte Oberfläche einer erodierten Schaufel

Hightech kommt zum Einsatz, wenn wir an Geräten und Prototypen Probeläufe durchführen. Der Höhenprüfstand beispielsweise ist einzigartig in Deutschland. Mit der Prüfeinrichtung ist es möglich, Turbo-Antriebe den Umgebungsbedingungen in großen Flughöhen auszusetzen, ohne dafür fliegen zu müssen. Sensoren und unsere Hochleistungsrechner erfassen ein exaktes Bild von den Vorgängen im Inneren der Antriebe.

Unsere weiteren Einrichtungen runden die Forschung ab: Mit dem Nieder-Machzahl-Turbinenprüfstand tragen wir zum Beispiel durch Grundlagenforschung und Messungen im Nieder-Machzahlbereich an Turbinen zur Weiterentwicklung bei. Im Strömungslabor und in unseren Wasserkanälen untersuchen wir das Störmungsverhalten und die Störmungseffekte, um zu erkennen, welche Auswirkungen sie auf Antriebe und Turbinen haben.

Im Schwingungslabor charakterisieren wir das dynamische Verhalten (wie Eigenfrequenzen, Dämpfungseigenschaften, Schwingungsformen) von Bauteilen und Komponenten, wobei ein Schwerpunkt auf dem Einfluss nichtlinearer Vorgänge wie Reibung in Fügestellen und stoßartigen Kontakten liegt.

Höhenprüfstand

Einleitung/Historie

Im Rahmen des Wiederaufbaus der Luftfahrtforschung an der Technischen Hochschule Stuttgart wurde das Institut für Turboflugtriebwerke (heute: Institut für Luftfahrtantriebe) mit dem Höhenprüfstand für Flugtriebwerke zwischen 1960 und 1964 im Hochschulbereich Vaihingen errichtet. Die Anlage wurde für Triebwerke bis zu einer Größe von ca. 70kg/s Boden-Stand-Durchsatz ausgelegt. In den Jahren 1981 und 1982 sowie 1985 bis 1987 wurde die Anlage umgebaut, in ihrer Leistungsfähigkeit (Triebwerk inkl. Nachbrennerbetrieb) gesteigert und modernisiert.

Referenzen

Der Höhenprüfstand kann auf eine Vielzahl von verschiedenen Versuchstypen zurückblicken. So zum Beispiel den Test der Triebwerke J79, PW300, EJ200, RB199 und des Kerntriebwerkes BR700 Core. Ebenfalls wurden Turbinen wie PW 2037 LP, PW 300 LP oder GP7000 LP und die Brennkammern BR700, Trent XWB und Alecsys Lean Burn getestet. Auch komplexe Einzelvorhaben wie der Test des Antriebes des Höhenflugzeuges STRATO 2C oder geförderte Projekte wie das von der Europäischen Union geförderte Vorhaben CLEAN (Component VaLidator for Environmentallyfriendly Aero-ENgine) wurden durchgeführt. Neben Strahltriebwerken und deren Komponenten können auch Versuche mit Kolbenantrieben wie sie von RED-Aircraft oder BRP hergestellt werden, getestet werden. Als Testpartner von Rolls Royce im Bereich Brennkammer und MTU Aero Engines sowie ANECOM Aerotest im Bereich Turbine werden am Höhenprüfstand ebenfalls Versuche an Triebwerkskomponenten der nächsten Generation durchgeführt.

Technische Beschreibung

Durch seine hohe Flexibilität bietet der Prüfstand sowohl die Möglichkeit zum Test von Komponenten wie Turbinen oder Brennkammern, als auch von kompletten Triebwerken oder Kerntriebwerken. Auch Strömungsversuche wie Kaskaden sind möglich.

Zur Einstellung der Zuströmbedingungen am Ende der Einlaufstrecke stehen mehrere Verdichter, Lufterhitzer und Luftkühler zur Verfügung. Diese können auf verschiedene Weisen verschaltet werden und ermöglichen so Eintrittsdrücke größer und kleiner 1bar, Temperaturen größer und kleiner 0°C und verschiedene Höhendrücke bzw. Luftmassenströme.

So kann ein großer Bereich an Flugbedingungen wie bspw. High-Speed-Tests bis Mach 2,2 auf Meereshöhe oder Wiederzündversuche in großer Höhe bis 21000m simuliert werden.

Allgemeine Informationen:
Installierte elektrische Gesamtleistung 38MW
Kühlwasserspeicher 8000m3
Luftentfeuchtung bis 250K (Taupunkt)
Spezialtechnik Farbeinspritzung für Turbinenversuche, Wassereinspritzung in Kraftstoff, Fünflochsonden

 

Prüfstrecke 1 (Versuche mit Verbrennung):
Eintrittsdruck pE 5kPa < pE < 240kPa
Eintrittstemperatur TE 210 < TE < 430K
Max. Luftmassenstrom mL 130kg/s
Min. Höhendruck pH 5kPa
Prüfzelle 1 Durchmesser: 3,6m; Länge: 8m
Max. Abgastemperatur 2200K

 

Prüfstrecke 2 (Versuche ohne Verbrennung):
Eintrittsdruck pE 5kPa < pE < 195kPa
(5kPa < pE < 220kPa ab 2020)
Eintrittstemperatur TE 210 < TE < 430K
(210 < TE < 620K ab 2020)
Max. Luftmassenstrom mL 130kg/s
Min. Höhendruck pH 5kPa
Prüfzelle 2 Durchmesser: 3,6m; Länge: 8m
(Update Jahresende 2019)

 

Kraftstoffkonditionierung:
Kraftstofftank 3 x 25m3
Kraftstofftemperatur TKS 230K < TKS < 390K
Spezialkraftstofftank 1m3

FoTeKo (Umbau und Erweiterung von 2017 bis 2019)

In den Jahren 2017 bis 2019 wird am Höhenprüfstand das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Kultur und dem Land Baden-Württemberg geförderte Projekt „FoTeKo“ (Fortschrittliche Technologien und Testkonzepte für Turbinen, Brennkammern und Kerntriebwerke) durchgeführt. Im Rahmen von FoTeKo wird ein neuer Lufterhitzer, der Eintrittstemperaturen bis zu 620K auf der Prüfstrecke 2 ermöglicht, integriert. Um diesen Lufterhitzer einzubinden und verbesserte aerodynamische Bedingungen zu erreichen, wird die Prüfstrecke 2 neu aufgebaut. Zur Erhöhung des Gesamtverdichterdruckverhältnisses wird einer der am Prüfstand genutzten Verdichter um einen Nachkühler erweitert. Ebenfalls wird die gesamte Leittechnik des Prüfstandes modifiziert und erneuert. Zur Leistungssteigerung für Brennkammerversuche wurden neue Abströmgehäuse entwickelt und Prüfzelle 1 um einen Bypass für schnellere Abkühlvorgänge sowie isolierte Kraftstoffleitungen erweitert.

Mikrogasturbinenprüfstand
Mikrogasturbinenprüfstand

Mikrogasturbinen sind kleine Gasturbinen welche im Bereich von Kleinkraftwerken, dem Antrieb von Drohnen, skalierten Versuchsträgern oder Modellflugzeugen eingesetzt werden. Das Institut forscht seit vielen Jahren an und mit Mikrogasturbinen, da sie in vielen Bereichen ein ähnliches Verhalten wie große Luftfahrtantriebe aufweisen, aber in der Herstellung und im Betrieb wesentlich günstiger sind. Das Institut ist in der Lage Mikrogasturbinen sowohl in Schubkonfiguration als auch mit Wellenleistungsabtrieb zu testen. Es können Antriebe bis 10 kW Wellenleistung und Schüben bis 300 N vermessen werden. Dazu steht eine Messanlage mit 50 Temperaturen und 148 Drücken zur Verfügung.

 Schwingungslabor
Schwingungslabor

Unser Schwingungslabor verfügt über eine moderne Ausstattung (Modalanalyse Hard- und Software, Schwingungsisolationstische, Shaker, Laservibrometrie, Kraft- und Beschleunigungsaufnehmer, dSpace-System).

Neben Triebwerksschaufeln untersuchen wir im Rahmen der Grundlagenforschung auch allgemeinere Strukturen. Eine zentrale Rolle spielen dabei nichtlineare Vorgänge wie Reibung und stoßartige Kontakte, welche für die Fügestellendämpfung von Turbomaschinenschaufeln und neuartige Konzepte zur Schwingungsminderung ausgenutzt werden. Die experimentellen Untersuchungen dienen insbesondere dem Abgleich der entwickelten Simulationsmethoden und der Identifikation von solchen Kenngrößen die derzeit nur empirisch bestimmt werden können.

Lasermessung zur Untersuchung der Strömungsablösung in Schaufelpassagen von Turbinen
Lasermessung zur Untersuchung der Strömungsablösung in Schaufelpassagen von Turbinen

Im Strömungslabor des Instituts für Luftfahrtantriebe werden Strömungsuntersuchungen in Düsen, in Turbomaschinengittern und sonstigen Luftsystemelementen durchgeführt. Mithilfe von Schraubenverdichtern kann ein maximaler Luftmassenstrom von ca. 0,84 kg/s bei einem Überduck von 7 bar bereitgestellt werden. Unterschiedliche Messtechniken erlauben eine detaillierte Erfassung der Strömungsvorgänge.

Optische Messungen in einer Turbinenstufe am vertikalen Wasserkanal
Optische Messungen in einer Turbinenstufe am vertikalen Wasserkanal
Horizontale und vertikaler Strömungswasserkanal am Institut für Luftfahrtantriebe

Das Institut betreibt einen Flachbett-Wasserkanal und einen vertikalen Wasserkanal als experimentelle Ergänzung zu eigenen Strömungsberechnungen. In den Kanälen wurden bereits sehr intensiv Sekundärströmungseffekte untersucht. Die Visualisierung der Strömungsphänomene, speziell im wandnahen Bereich, erlaubt beispielweise eine qualitative Überprüfung von Ergebnissen, die rein rechnerisch erstellt wurden. Neben Strömungen in Turbomaschinen werden auch Strömungsvorgänge in Brennkammern und Düsen untersucht.

Zielgruppen:

  • Unternehmen und Forschungseinrichtungen sowie staatliche Dienststellen
  • Kooperationsangebote: Theoretische und experimentelle Untersuchungen an Turbomaschinen, Flugantrieben sowie allgemeinen Strömungsproblemen
  • Auftragsversuche auf dem Höhenprüfstand
  • Anwendung und Entwicklung moderner Rechenverfahren für Strömungsvorgänge und thermodynamische Prozessuntersuchungen

Kontakt

Dieses Bild zeigt  Christian Koch
Dr.-Ing.

Christian Koch

Akademischer Mitarbeiter, Fachstudienberater, stellv. Institutsleiter

Dieses Bild zeigt  Constanze Schiewe
Dipl.-Ing.

Constanze Schiewe

Technische Leiterin Höhenprüfstand

 

Institut für Luftfahrtantriebe

Pfaffenwaldring 6, 70569 Stuttgart

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