Hybride Bauweisen am Beispiel von Triebwerkskomponenten

Abstract

Die jetzt schon hohe Leistungsdichte von Triebwerken und der Bedarf an weiteren Optimierungen des Gesamtsystems, um zukünftigen ökonomischen und ökologischen Anforderungen gerecht zu werden, erfordert ständige Innovationen auf dem Gebiet der Werkstoffe und Bauweisen. Um die hoch gesteckten, zumeist aerodynamisch dominierten Zielsetzungen zu erreichen, ist an vielen Stellen eine reine Verbesserung einzelner Werkstoffe nicht mehr ausreichend. Vielmehr sind es exakt abgestimmte Bauweisen die es ermöglichen, herausragende Eigenschaften spezieller Werkstoffe und das in Werkstoffkombinationen liegende Potenzial adäquat zu nutzen und gleichzeitig materialspezifische Defizite nicht versagenskritisch werden zu lassen. Durch die Kombination von Werkstoffen im Rahmen von hybriden Bauweisen wird das nutzbare Potenzial größer, gleichzeitig steigt aber auch die Herausforderung, die damit gestiegene Anzahl von Parametern effizient zu nutzen. Um möglichst schnell die gesteckten Zielsetzungen zu erreichen, ist häufig eine multidisziplinäre Vorgehensweise bei der Entwicklung von Triebwerksbauteilen erforderlich, die Fachgebiete, angefangen von der Aerodynamik, über die Strukturmechanik und Werkstoffe bis hin zur Aeroelastik, einschließt. An drei verschiedenen Beispielen soll demonstriert werden, wie sich einzelne potenzielle Bauweisen für Triebwerksstrukturen im Hinblick auf die optimale Gestaltung entwickelt haben, wie eine entsprechende Fertigung von Bauteilen aussehen kann und welchen Einfluss die Fertigung auf die Gestaltung der Bauteile genommen hat. Beispiel 1 beschäftigt sich mit einer hybriden Bauweise für einen Verstellring zur Verstellung von Leitschaufeln eines Hochdruckverdichters. Neue Blisk-Technologien machen eine präzisere Verstellung von Leitschaufeln erforderlich, um strukturell wenig gedämpfte Verdichterkomponenten nicht ungewollt anzuregen. Weiterentwicklungen an diesem System zeigen das nutzbare Potenzial auf. Beispiel 2 zeigt einen Weg hin zu einer Hybridbauweise, wie sie für in FVK-Bauweise ausgeführte aerodynamische Profile und deren Anbindung an eine metallische Umgebung genutzt werden kann. Beispiel 3 befasst sich mit der Entwicklung einer Bauweise für einen Verdichterrotor die es ermöglicht, verschiedene Materialien effizient zu kombinieren und gleichzeitig der Aerodynamik einen maximalen Spielraum einräumt. Diese Bauweise für einen Rotor besteht in der Fügung einzelner Scheibensegmente zu einem Komplettrotor. Dabei lassen sich unter anderem Hohlräume innerhalb der Struktur realisieren, die zur Nutzung weiterer physikalischer Effekte verwendet werden können, wie zum Beispiel der Erhöhung der strukturellen Dämpfung oder gezielter Ausblasung oder Absaugung an der Blattoberfläche.