Verdichter

Für den Betrieb von Brennstoffzellen in Luftfahrzeugen sind spezielle Verdichter zur Luftversorgung erforderlich. Diese Verdichter sind der größte parasitäre Verbraucher und müssen daher so effizient wie möglich aufgebaut sein. Daher entwickeln wir in der Arbeitsgruppe Verdichter Methoden zur automatisierten Auslegung und Optimierung von Turbomaschinen für diesen Anwendungsfall. Besonderes Augenmerk liegt dazu neben der eigentlichen Strömungsführung auch im Wasser- und Wärmemanagement der Brennstoffzellensysteme, denn nur die gemeinsame Optimierung der gesamten Architektur führt zu konkurrenzfähigen Systemen.

Auslegungsprozesse in der Luftfahrt entwickeln sich in Richtung einer immer engeren Verzahnung zwischen den Auslegungsmodellen von Flugzeug, Antriebssystem und Antriebskomponenten. Numerische Strömungssimulationen der Turbomaschinenkomponenten stellen hierbei aufgrund der hohen Rechenaufwände oft die Engstelle dar. Daher entwickeln wir in der Arbeitsgruppe Verdichter Deep-Learning-Methoden zur Beschleunigung von Strömungs- und Leistungsvorhersagen im Verdichter.

Reynolds-gemittelte Navier-Stokes-Rechenverfahren (Reynolds-averaged Navier-Stokes, RANS) stellen immer noch das Arbeitspferd der industriellen Auslegung von Strömungsmaschinen dar. Insbesondere die Strömungs- und Leistungsvorhersage von Verdichtern ist dabei besonders herausfordernd. Die Arbeitsgruppe Verdichter entwickelt daher anwendungsorientierte RANS-Modelle zur verbesserten Vorhersage von Rotationseffekten und instationären Strömungseinflüssen.

Zur Realisierung von Brennstoffzellensystem für mobile und insbesondere fliegende Anwendungen gehört die Auslegung geeigneter Komponenten zur Bereitstellung und Konditionierung der Arbeitsmedien zu unserem Kompetenzbereich. Auf der Kathoden-Seite entwickeln wir daher anwendungsspezifische Kompressionssysteme. Auch auf der Anoden-Seite der Brennstoffzelle leisten Verdichter durch effiziente Rückführung des unverbrauchten Wasserstoffs einen Beitrag zur Erhöhung der Lebensdauer und des  Gesamtsytemwirkungsgrades.

Um hohe Verdichterleistungen über einen breiten Betriebsbereich zu erreichen, werden Verdichter benötigt, die sich an die Betriebsbedingungen anpassen. Die aktive Strömungsbeeinflussung (Active Flow Control, AFC) umfasst mehrere Technologien, wie Strömungsabsaugung und -einblasung, die es ermöglichen, die Schaufelbelastung, Nachlaufströmung und Sekundärströmung zu beeinflussen; diese Maßnahmen ermöglichen die Entwicklung adaptiver Verdichter. Die Verdichter-Arbeitsgruppe ist Teil des Exzellenzcluster Nachhaltige und energieeffiziente Luftfahrt (SE²A) um den Stand der adaptiven Verdichterauslegung voranzutreiben und diese Technologie in umfassende Luftverkehrskonzepte mit konventionellen, Hybrid- und Brennstoffzellen-Antrieb für Lang-, Mittel- und Kurzstreckenflüge.

In realen Antriebssystem wird die Turbomaschinenleistung durch angrenzende Komponenten (z.B. Einlauf, Diffusor) erheblich beeinflusst. Ein umfassendes Verständnis der Interaktionseffekte zwischen angrenzenden Komponenten ist daher für die Entwicklung effizienterer und robusterer Antriebssysteme essentiell.