AeroLight - Hochbelasteter Verdichterrotor in Leichtbauweise

Kurzfassung

Ein interdisziplinäres Team von 4 Instituten des DLR versucht eine deutliche Leistungssteigerung von Verdichtern, wie sie für effizientere und leichtere Flugtriebwerke benötigt werden, durch das Aufbrechen bisheriger Restriktionen zu erreichen. Die MTU AeroEngines GmbH unterstützt das DLR im Rahmen einer Kooperation. Mit dem Ziel, neue Werkstofftechnologien effizient zu nutzen und gleichzeitig der Aerodynamik größtmöglichen Gestaltungsspielraum einzuräumen, entstand eine innovative Bauweise für Verdichterrotoren. Durch stoffschlüssiges Fügen einzelner Scheibensegmente lässt sich eine Geometrie realisieren, die konventionell nicht herstellbar ist. Die aerodynamische Leistungsdichte des Rotors ist dabei um 50 % höher als die von bisherigen Konzepten. Während der Herstellung sind später innen liegende Bereiche des Rotors zugänglich und Aussparungen zur Gewichtsreduktion oder für Verstärkungen, wie zum Beispiel faserverstärktes Titan, können eingebracht werden. Spätere Luftführungen zur Strömungsbeeinflussung sind ebenfalls integrierbar. Letztlich ist sogar die Kombination unterschiedlicher Materialien zur Kostenreduktion, Schwingungsdämpfung oder Steuerung weiterer physikalischer Eigenschaften realisierbar. Die Fügefläche wurde so orientiert, dass keine Maximallasten übertragen werden müssen. Weiterhin soll über diese Fügefläche das Versagensverhalten derart kontrolliert werden, dass es im Fall eines Fremdkörpereinschlages auf die Schaufeln zu keinem Totalverlust der Blattstruktur kommt. Dies führt dann zu einer weiteren Gewichtsreduktion, indem das notwendige Containment, das im Schadensfall ein Verdichterblatt zurückhält, entsprechend leichter ausgeführt werden kann. Der eigentliche Schlüssel zur Umsetzung liegt aber in der Werkstoff- und Fügetechnik. Für ein derart hochbelastetes und sicherheitskritisches Bauteil musste das Festigkeitsverhalten der vakuumgelöteten Verbindungen umfangreich untersucht und verstanden werden. Die statischen Festigkeiten liegen zuverlässig bei ca. 80% von der eingesetzten hochfesten Titanlegierung. Unter anderem wurden auch Ermüdungseigenschaften untersucht, die für eine sichere Auslegung des Verdichterrotors unabdingbar sind. Umfangreiche Entwicklungsarbeit erforderte auch das Fertigungsverfahren, das eine zuverlässige Vakuumverlötung des über 700 mm großen Bauteils ermöglichen muss. Die fehlerfreie Herstellbarkeit konnte an einem Teilsegment des Rotors nachgewiesen werden. Derzeit wird ein vollständiger Rotor hergestellt, der auf einem Prüfstand aerodynamisch, aeroelastisch und mechanisch getestet wird. Die Prozesskette konnte von der Werkstoffmechanik, der Auslegung und Konstruktion über die Herstellung und die Qualitätssicherung des Rotors verifiziert werden. Durch die Zusammenarbeit mit MTU wird die Praxisrelevanz der Entwicklung sichergestellt. Die zahlreichen Möglichkeiten der segmentierten Bauweise und zunehmende Effizienzanforderungen werden viele Einsatzgebiete im Bereich der Flugtriebwerke eröffnen.