Motivation
Der Fokus dieses Projekts liegt auf dem Fan zukünftiger Flugzeugtriebwerke. Da der Fan in neuen Triebwerksarchitekturen – unabhängig von der Energiequelle – den Hauptteil des Schubs liefert, hat seine Effizienz einen entscheidenden Einfluss auf die Nachhaltigkeit der zukünftigen Luftfahrt. Während die Fan-Effizienz bereits unter den Designbedingungen sehr hoch ist, gewinnt die Verbesserung des Betriebsverhaltens im Off-Design-Betrieb zunehmend an Bedeutung.
Numerische Untersuchungen
Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung formadaptiver Fan-Schaufeln, die sich dynamisch an veränderte Strömungsbedingungen anpassen können. Um die aktive Formänderung zu ermöglichen, werden piezokeramische Macro-Fiber-Composite-Aktoren in den Fan-Rotor integriert. Durch elektrische Anregung der Aktoren tritt eine Kontraktion oder Expansion entlang der Faserrichtung auf. Durch die adhesive Verbindung zwischen den Schaufeloberflächen und den Aktoren wird diese Verformung auf den Rotor übertragen und führt zu einer Veränderung der Schaufelkrümmung und des Staffelungswinkels. Um die Schaufelform ideal an die jeweils vorherrschenden Off-Design-Strömungsbedingungen anzupassen, ist eine Optimierung der die Aktor-Konfiguration notwendig. Dazu wurde eine aero-strukturelle Entwurfsmethodik entwickelt, die sowohl die Optimierung der Aktorplatzierung als auch die Bestimmung aerodynamisch effizienter Zielgeometrien ermöglicht. Diese Methode wird derzeit erweitert, um moderne UHBR-Fan-Designs mit komplexen 3D-Schaufelgestaltungselementen – wie Pfeilung und V-Stellung – sowie alternative Schaufelmaterialien zu berücksichtigen. Als potenzielle Materialbasis werden anisotrope Werkstoffe wie carbonfaserverstärkte Kunsttoffe (CFK) untersucht. Diese ermöglichen nicht nur ein gezieltes Tailoring des Verformungsverhaltens, sondern auch das Einweben der Aktoren direkt in die Schaufelstruktur, was die strukturelle Integrität und die Betriebssicherheit unter hohen aerodynamischen Belastungen erhöhen soll.
Experimentelle Untersuchungen
Bisher wurden alle Untersuchungen zur Schaufelformänderung ausschließlich numerisch durchgeführt. Nun steht erstmals ein funktionsfähiger Prototyp zur Verfügung, der eine vorläufige experimentelle Validierung der Entwurfsmethodik ermöglicht. In diesem Projekt sind weitere Prototypen für grundlegende statische und dynamische Untersuchungen geplant. Auf Basis der ersten Projektresultate werden die Prototypen aus CFK-Materialien hergestellt und weisen die Hauptabmessungen eines skalierten UHBR-Fans auf. Dabei wird ebenfalls der Einfluss der stark verwundenen Ausgangsgeometrie im unverformten Zustand auf dessen Verformbarkeit berücksichtigt. Für alle Prototypen sind experimentelle Untersuchungen geplant, wobei der Schwerpunkt auf dem Formänderungsverhalten der Schaufeln unter realistischen Belastungsbedingungen liegt. In einem ersten Schritt werden alle Untersuchungen an nicht rotierenden Schaufeln durchgeführt, wobei Lastäquivalente berücksichtigt werden, die zentrifugale und aerodynamische Spannungen simulieren. Zudem werden auch Unsicherheiten aus der Fertigung untersucht, um den Einfluss des Fertigungsprozesses auf das erwartete Formänderungsverhalten abschätzen zu können.
Ausblick und zukünftige Anwendung
Das Hauptziel des dreijährigen Projekts ist es, den Einfluss formadaptiver Fanschaufeln auf die Off-Design-Effizienz zukünftiger Flugzeugtriebwerke zu bewerten, wobei besonderes Augenmerk auf die experimentelle Validierung der numerischen Entwurfsmethodik gelegt wird. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen die Grundlage für die spätere Anwendung der Formadaptionstechnologie in einem rotierenden Prüfstandumfeld ebnen.