Hybride Bauweisen am Beispiel von Triebwerkskomponenten

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1 Folie 1 > Hybride Strukturen > Kocian > Hybride Bauweisen am Beispiel von Triebwerkskomponenten Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress , Stuttgart F. Kocian 1, P.-B. Ebel 1, B. Drees 1, K. Schulze 2, J. Hausmann 2, H. Voggenreiter 1/2 1 DLR Stuttgart - Institut für Bauweisen- und Konstruktionsforschung 2 DLR Köln - Institut für Werkstoff-Forschung

2 Folie 2 > Hybride Strukturen > Kocian > Inhalt Hybride Strukturen Hybrider Verstellring im Hochdruckverdichter Hybrides Fanblatt Verdichterrotor neuer Bauweise

3 Folie 3 > Hybride Strukturen > Kocian > Hybride Strukturen Zusammenbringen verschiedener Strukturkomponenten zu einer Gesamtstruktur Nutzbare Vorteile: gezielte Generierung / Design neuer Eigenschaften Umfangreichere Optimierungsmöglichkeiten Ressourcenschonung durch Funktionentrennung (materialgerechtes Design) Zusätzlicher Aufwand: Umfangreichere Kompetenz notwendig (Entwicklung und Fertigung) Komplexere Modellierung und Optimierung Interface als zusätzliche Herausforderung und Themenschwerpunkt

4 Folie 4 > Hybride Strukturen > Kocian > Hybrider Verstellring im Hochdruckverdichter Zielsetzungen: Verbesserte Funktionalität Verringerung des Strukturgewichts Reduzierte Herstellungskosten Verbesserte Ringmontage Quelle: Rolls Royce Deutschland Titan Verstellringe

5 Folie 5 > Hybride Strukturen > Kocian > Hybrider Verstellring Funktionsprinzip Hybridkonzept ermöglicht die Nutzung des mechanischen CFK Potenzials Werkstoffkombination nutzt Bi-Metall Effekt und kompensiert damit den geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von CFK CFK-Band wird auf Umfangssteifigkeit und Lochleibung ausgelegt in Abstimmung mit der gewählten Fertigungstechnik [0,-45,+45, 0,0 ] s Lagenaufbau bedeutet Kompromiss zwischen Fertigungstechnik, Steifigkeit und Lochleibungsversagen Stützelement (Centralizer) wurde aus +/- 30 Wickellaminat aufgebaut, um negatives Strukturausdehnungsverhalten zu generieren CFK Aluminium Centralizer

6 Folie 6 > Hybride Strukturen > Kocian > Materialgerechte Gestaltung der Hybridstruktur Tangentiale Krafteinleitung in den Ring erhöht die Steifigkeit und somit die Verstellgenauigkeit Einfache Strukturelemente mit Mehrfachfunktion Optimierte Kombination von Hochleistungswerkstoffen Unbelastetes Interface zwischen den Materialien Optimierung des thermalen Ausdehnungsverhaltens Topologieoptimierung der Struktur

7 Folie 7 > Hybride Strukturen > Kocian > Hybrides Fanblatt Nutzung von spezifischen Materialeigenschaften Titan im Bereich der Krafteinleitung in die Rotorscheibe und der Vorderkante (Beständigkeit gegen Erosion und FOD) CFK im Bereich der Hinterkante (aerodynamischen Kontur) Thermoplastisches Matrixmaterial (PEEK) zur Erzielung guter Schlagzähigkeit und Klebefestigkeit

8 Folie 8 > Hybride Strukturen > Kocian > Vorteile des Hybridkonzeptes Druckseite Saugseite CFK Material-Interface Titan Reduktion von Strukturgewicht durch Einsatz von Hochleistungsverbundwerkstoffen Verbesserte strukturelle Dämpfung Reduzierte Blattenergie für den Fall eines Blattverlustes Weiteres Einsparpotenzial im Bereich Containment, Rotorwelle und Lagerung

9 Folie 9 > Hybride Strukturen > Kocian > Profilquerschnitt Modellierung HEXE8 MPC RIGID (1,2,3) ξ 1 Saugseite outer ply (first ply in stacking sequence) ξ 1 QUAD4 MPC RIGID (1,2,3) MPC ILIN2 (1,2,3) MPC VST (1,2,3,4,5,6) Druckseite

10 Folie 10 > Hybride Strukturen > Kocian > Unterschiedliche FE-Modelle des massiven Titanblattes zeigen gute Übereinstimmung in Bezug auf das Spannungsniveau in MPa nach v. Mises Auslegung und Berechnung Volumenelementierung Kombinierte Volumen- / Schalenelementierung FE-Modell des hybriden Fanblattes weist eine Spannungsreduktion im Titanbereich auf und zeigt eine Materialausnutzung im CFK mit ausreichender Reserve

11 Folie 11 > Hybride Strukturen > Kocian > Beschusstest einer Hybridprobe Getestete Beschussgeschwindigkeit: 104 bis 151 m/s Projektilmassen: 25 bis 33 Gramm Impact Energien: 135 J bis 376 J Bis zu einer Dehnung von 1,4% widersteht die Verbindung der dynamischen Last

12 Folie 12 > Hybride Strukturen > Kocian > Ausgangspunkt: Hohe Materialfestigkeiten bei der Fügung von CF-PEEK und Titan Problem: Alterungsbeständigkeit!

13 Folie 13 > Hybride Strukturen > Kocian > Haftfestigkeit nach Langzeitauslagerung Quelle: Institut für Werkstoff Forschung (DLR)

14 Folie 14 > Hybride Strukturen > Kocian > Fertigung Vakuumkonsolidierung der CFK- Prepreglagen und Fügung erfolgt in einem Arbeitsgang Kostengünstige armierte und beschichtete Keramikformen für Prototypenherstellung Simulation des Lagenaufbaus als Basis für die Drapierung und maschinellen Zuschnitt der UD- Prepreglagen und reales Stacking in der Keramikform Drapiersimulation der Einzellagen im CAD und Zuschnitt mittels einer Wasserstrahlschneidanlage Positionierung der Einzellagen in der Form mittels eines optischen Projektionsverfahrens

15 Folie 15 > Hybride Strukturen > Kocian > Potenzial Version A10 Blattmasse [kg] Rotationsenergie [kj] Titanblatt 1,42 91,8 Hybridblatt 1,25 75,9 Einsparpotenzial 12,1% 17,4%

16 Folie 16 > Hybride Strukturen > Kocian > Verdichterrotor neuer Bauweise Tendenz zu faserverstärkten Materialien und Werkstoffverbunden gepaart mit Trend zur BLISK-/BLING-Bauweise erfordert neue Konzepte im Turbomaschinenbau DLR-Ansatz: axial getrennte BLISK-Scheiben werden zu einem monolithischen Rotor gefügt Zuverlässige mechanische und aeroelastische Auslegung des Verdichters unter Berücksichtigung der neuen Bauweise Gleichzeitig Umsetzung hoher aerodynamischer Anforderungen an den Verdichter

17 Folie 17 > Hybride Strukturen > Kocian > Rotorkonzept Grundlage der Bauweise: Fügung einzelner, vorgefertigter Rotorscheiben mittels Verlöten der Einzelsegmente Demonstrator mit zwei Lötebenen, Dreistegscheibe und Hohlräumen Rotorlagerung zur Sicherheit für den Testbetrieb auf verlängerter Welle Auslegung erfolgt mit Blick auf genügend Tragfähigkeit voneinander getrennter einzelner Scheibensegmente im Schadensfall

18 Folie 18 > Hybride Strukturen > Kocian > Potenzial der Bauweise Hohe aerodynamische Gestaltungsfreiheit Integrierte Verstärkungselementen (TMC-Stäbe & Ringe) Hybridstrukturen Integration von Hohlräumen und Kanälen Dämpfungsmechanismen Strömungsbeeinflussung Nutzung bereits erarbeiteter Technologien Fügetechnik stellt Schlüsseltechnologie dar Reparaturfähig Quelle: Institut für Werkstoff Forschung (DLR)

19 Folie 19 > Hybride Strukturen > Kocian > Interdisziplinärer Ansatz Ziel: Leistungsfähige Leichtbauweise für Rotoren ohne Restriktionen für die Aerodynamik mit Potenzial für einen Technologiesprung Nutzung der Kompetenzen der DLR-Institute AT, AE, BK, WF, (SHT) Simultane Beteiligung aller Fachdisziplinen am Design- bzw. Optimierungsprozess DLR eigene multidisziplinäre Optimierungsprozesskette unter Berücksichtigung von: - aerodynamischen - aeroelastischen und - strukturmechanischen Zielfunktionen Stufendruckverhältnis Umfangsgeschwindigkeit Quelle: Institut für Antriebstechnik (DLR)

20 Folie 20 > Hybride Strukturen > Kocian > Design BLISK-Gestaltung nutzt verfügbares Leichtbaupotenzial (ausbaufähig) Interdisziplinäre Zusammenarbeit für statische und dynamische Auslegung Gesonderte Auswertung der Fügebereiche Konservative Gesamtauslegung im Hinblick auf Rig-Test Sicherstellung von Schadenstoleranz

21 Folie 21 > Hybride Strukturen > Kocian > Entwicklung eines 3-stufigen Fertigungsprozesses 1. Vorkonfektionierung geschmiedeter Scheiben unterstützt durch Wasserstrahlschneiden 2. Optimierter Fügeprozess (Löten) 3. Bearbeitung auf Endkontur Fertigungskonzept Verifikation des Prozesses an einem Teilsegent Herstellung des Rotors für Testzwecke noch in der Umsetzung

22 Folie 22 > Hybride Strukturen > Kocian > Qualitätssicherung Etablierte Maßnahmenkette Zertifiziertes Material Verifizierte Materialkennwerte Gesteuerter / überwachter Fügeprozess ND-Prüfmethoden zur Kontrolle des Fügeprozesses Umfangreiche Testkampagne (Shakertest von Komponenten, Schleudertest)

23 Folie 23 > Hybride Strukturen > Kocian > Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt Institut für Bauteilgestaltung und Fertigungstechnologien Pfaffenwaldring Stuttgart Dipl.-Ing. Frank Kocian +49 (0)711 /