Fan Performance and Aerodynamic Forces with Boundary Layer Ingestion

Abstract

Påverkan av aerodynamiska störningar i inflödet till flygmotorer studeras för att kunna utveckla effektivare framdrivning. Reducerad energiåtgång för flygframdrivning möjliggör effektivare transporter och minskade skadliga utsläpp vid flygning och ett minskat resursutnyttjande för framställning av bränslen. Fläkten är den nyckelkomponent i den civila flygmotorn som omvandlar axeleffekt från grundmotorn till dragkraft, och stora förbättringar som skett i modern tid har uppnåtts genom att öka fläktens storlek. Emedan detta ökar motorns framdrivningsverkningsgrad ökar samtidigt vikt och aerodynamiskt motstånd från större våta ytor på motorgondolen. Motsättningen som ligger i detta begränsar hur långt man kan komma i form av reducerad bränsleförbrukning. 

Ett sätt att komma längre är att integrera motorn med flygkroppen så att flödet i flygplanskroppens gränsskikt och vakar avsiktligt fås att passera genom fläkten, på engelska ”Boundary Layer Ingestion” förkortat BLI. Mindre energi åtgår för att accelerera denna del av flödet för att generera en enhet dragkraft jämfört med att accelerera flöde i friströmmen. För att kunna realisera denna potential behöver kunskap utvecklas kring hur aerodynamiken och fläktbladens instationära belastning påverkas. 

En viktig del är att förstå förutsättningarna för att kunna konstruera framdrivningsenheter som fungerar väl i störd inloppsströmning. Utöver effektivitet behöver kunskapen om behov av aerodynamisk stabilitet och skovelvibrationer ökas. Detta forskningsarbete består av fyra sammanhängande delar:

·       Analys av en fläkt som lämpar sig för en BLI installation

·       Konstruktion av provobjekt för experimentell utvärdering av beräkningsverktyg och 

·       Analys av påverkan på icke stationära aerodynamiska laster från distorsion på 

·       Förslag till och analys av förbättrade konstruktionselement 

Resultaten visar att en förbättring i framdrivningsverkningsgrad kan uppnås i det studerade fallet. Den energimässiga fördelen med att accelerera gränsskikts- och vakströmning överstiger den negativa påverkan den störda strömningen har på fläktens verkningsgrad. Prestanda har analyserats för en realistisk flygplansinstallation i relevanta flygtillstånd, vilket påvisar att stabilitetsmarginalerna kan upprätthållas. En fläkt med liknande prestanda har konstruerats och provats i reducerad skala. Resultaten från proven har använts för att bekräfta beräkningsverktygens relevans, och för att demonstrera tillfredsställande funktion under variation av driftförhållandena. Ett nytt fläktblad ha sedan utformats för att påvisa möjligheten att vinna framdrivningsverkningsgrad genom att låta fläktens radiella arbetsfördelning kompensera för det inkommande gränsskiktet. Nya och i sammanhanget viktiga samband mellan fläktbladens akustiska egenskaper och de icke stationära skovelkrafter som uppstår på grund av den störda inloppsluften påvisats. Tillämpliga förbättringar i form av val av bladantal och användning av akustiska dämpelement analyseras och visas kunna minska risken för höga skovelvibrationer. 

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-361479