Entwicklung eines automatisierten Tools für das Strukturdesign von morphenden Verdichterschaufeln aus Faserverbundwerkstoffen

Abstract

Triebwerke und ihre Verdichter werden aktuell für einen Design Point ausgelegt, welcher mit der dominierenden Flugphase korreliert. Off-Design-Betriebsbedingungen in anderen Flugphasen führen aufgrund fester Verdichterschaufelgeometrien zu einer Reduktion des Wirkungsgrades. Formadaptive Schaufelarchitekturen ermöglichen die Bereitstellung verschiedener Schaufelgeometrien für unterschiedliche Flugphasen und können somit zu einer Steigerung der Triebwerkseffizienz beitragen. Im Rahmen des Projekts C3.1 des Sustainable and Energy-Efficient Aviation (SE²A)-Exzellenzclusters wurde eine Methodik für die automatisierte Strukturauslegung und -optimierung von morphenden Schaufeln mit homogenen Körpern und applizierten Aktuatoren entwickelt. Darauf aufbauend wird in dieser Arbeit ein Tool für das automatisierte Strukturdesign von Schaufelkörpern aus Faserverbundwerkstoffen in die bestehende Methodik implementiert, um das Potenzial von maßgeschneiderten Faserverbund-Architekturen zu analysieren. Dies beinhaltet die Modellierung der Faserverbund-Schaufel und die Simulation des Verformungsverhaltens mit der Finiten-Elemente-Methode. Die Simulation kann hierbei auch eine Hot-Cold Shape Transformation der Verbundschaufel unter der im Betrieb wirkenden Zentrifugalkraft umfassen. Für eine zielgerichtete Ausnutzung der Anisotropie des Werkstoffs werden die Faserorientierungen der Schichten als neue Parameter in die bestehende Optimierungsumgebung implementiert und für drei gewählte Konfigurationen Optimierungen ausgeführt. Verglichen mit homogenen Schaufelkörpern aus Titanlegierung kann in den untersuchten Beispielen die maximale Staffelungswinkeländerung um 74,19 %, Wölbungswinkeländerung um 39,47 % und Metallwinkeländerung um 30,44 % gesteigert werden, während die Masse des Schaufelkörpers um 76,83 % reduziert wird.