Konzeptstudie: Strukturkonzept adaptiver Beschaufelungen für Turbofantriebwerke

Abstract

In Kooperation des Instituts für Faserverbundleichtbau und Adaptronik am DLR Braunschweig und des Instituts für Flugantriebe und Strömungsmaschinen der TU Braunschweig sind zwei Arbeiten zum Thema „adaptive Beschaufelungen für Turbofan-Triebwerke entstanden. Zum einen die Arbeit "Kennfeldberechnung und Numerische Untersuchungen Formvariabler Verdichterprofile“ (S. Rüdiger, Ch. Schubert, F. Friedrichs), in der eine aerodynamische Betrachtung der Möglichkeiten, die eine solche adaptive Beschaufelung bietet, durchgeführt wurde. Zum anderen die an dieser Stelle vorgestellte Entwicklung und Untersuchung eines Strukturkonzeptes. Moderne Turbofan-Triebwerke sind auf einen festen Arbeitspunkt ausgelegt. Dieser befindet sich in der Regel im Reiseflug. Im sogenannten „off-design“-Bereich, das heißt bei Start, Steig- und Sinkflug, sowie Landung, kann das Triebwerk nicht im optimalen Auslegungsbereich genutzt werden. Die Fanstufe von Turbofantriebwerken hat einen großen Anteil an der Gesamtschuberzeugung. Die Tendenz zu immer größeren Bypassverhältnissen erhöht diesen Anteil weiter. Dadurch rückt die Fanstufe in den Fokus, wenn man nach Verbesserungsmöglichkeiten dieser Problematik sucht. Eine adapative Fanschaufel ermöglicht in diesem Zusammenhang eine Erweiterung des optimalen Arbeitsbereiches. Es sind bereits Konzepte bekannt die eine Formvariabilität von Schaufeln bzw. ähnlichen Profilen ermöglichen. Jedoch gibt es speziell im Bereich der Beschaufelungen für Turbofan-Triebwerke noch keine Konzepte, die auf diese Aufgabe zugeschnitten sind und die hohen Anforderungen erfüllen. Daher wurde ein Konzept entwickelt, dass die prinzipielle Realisierbarkeit einer adaptiven Fanschaufel zeigt, wobei die Geometrie zur späteren experimentellen Validierung zunächst von existierenden hochbelasteten Ventilatoren am IFAS abgeleitet wurden. Zielsetzung war dabei eine Mindestverwölbung von 2°. Aus einer Reihe von Konzepten wurde über eine Bewertungsmatrix, in der z.B. Stellwege, Stellkräfte, Energieversorgung und Ansteuerungsverhalten beurteilt wurden, ein Konzept mit piezokeramischen Flächenaktuatoren gewählt. Zum Einsatz kommen dabei sogenannte MFC – Macro Fibre Composites, die eine gerichtete Dehnung erzeugen können und durch ihre spezielle Bauweise leicht in die Struktur einer Schaufel zu integrieren oder auf ihr zu applizieren sind. Mittels Finite Elemente Methoden wurden diverse Untersuchungen zum Verformungsverhalten durchgeführt. Betrachtet wurden verschiedene Schaufelstrukturen, zum einen massive Strukturen aus Aluminium und zum anderen in Sandwichbauweise ausgeführte relativ dünnwandige Faserverbundstrukturen. Untersucht wurden Auswirkungen und Verhalten bei Verwendung von Aktuatoren unterschiedlicher Ausrichtung und Dicke im Zusammenspiel mit den verschiedenen Strukturen. Speziell für die Faserverbundstrukturen wurden auch verschiedene Faserausrichtungen in Kombination mit der Aktuatorausrichtung untersucht. Zudem wurden Einflüsse aus der Schaufeleinspannung und den Fliehkräften auf die mittels der Aktuatoren erreichbaren Verformungen betrachtet. Dazu wurden zwei Modelle erstellt. Ein Modell wurde zur vereinfachten Abbildung einer massiven Metallschaufel mit oberflächlich applizierten Aktuatoren erstellt. Dieses Modell ist darauf ausgelegt umfangreiche Parameterstudien zu ermöglichen. Ein weiteres Modell wurde für Faserverbundstrukturen generiert, in diesem Modell ist auch eine Geometrieanpassung möglich. Dieses Modell ist komplexer, daher wird es für Sensitivitätsanalysen genutzt, die in einem nächsten Schritt für eine Optimierung verwendet werden können. Abhängig von der Konfiguration lässt sich das gesetzte Ziel der 2°-Verwölbung erreichen. Genauso lässt sich auch eine Verwindung von über 2° erzielen. Verwölbung und Verwindung treten im Regelfall kombiniert auf, jedoch liegen die Maxima bei unterschiedlichen Konfigurationen, so dass immer ein Kompromiss gefunden werden muss.