Die Notwendigkeit nachhaltiger und umweltverträglicher Mobilitätskonzepte in der Luftfahrt stellt insbesondere die Triebwerksauslegung vor neue Herausforderungen. Mit der Erforschung alternativer Antriebskonzepte rücken vor allem Faktoren, wie Effizienz und Flexibilisierung in den Fokus der Forschung. Im Rahmen dieses Projektes soll deshalb ein neuartiges Konzept zur Integration formvariabler Verdichterschaufeln erforscht werden. Mit dem Ziel, über Piezoaktuatoren auf den Rotorschaufeln, je nach Betriebszustand, eine optimale Schaufelform zu erreichen, werden in diesem Projekt aerodynamische Auslegungs- und Optimierungsrechnungen mit strukturmechanischen Detailuntersuchungen gekoppelt und sowohl simulativ als auch messtechnisch validiert.
Abhängig von den Antriebskonzepten, die im Rahmen einer CO2 neutralen Zukunft der Luftfahrt untersucht werden, unterscheiden sich die zugehörigen Verdichterkonfigurationen signifikant voneinander. Zudem können bei innovativen Antriebskonzepten, wie z.B. der Brennstoffzelle oder bei der Verwendung von synthetischen Kraftstoffen, abhängig vom Flugzustand, stark schwankende Anforderungen an das Betriebsverhalten des Verdichters auftreten. Um diesen Unsicherheiten im Designprozess zu begegnen, wird im Bereich der Aerodynamik eine robuste und flexible Auslegungsmethodik für moderne transsonische Hochdruckverdichterstufen entwickelt und simulativ validiert.
Innerhalb von ICA C3.1 soll der Auslegungsprozess zudem weiter durch den Einsatz formvariabler Verdichterbeschaufelungen flexibilisiert werden. Dies umfasst im Bereich der Aerodynamik die Auslegung von Hochdruckverdichterkonfigurationen für variierende Betriebszustände. Die so ausgelegten Schaufelformen dienen dann gleichermaßen als Eingangs- und Zielparameter für die weiterführende Untersuchung und Gestaltung der Schaufelformadaption. Zudem werden in diesem Teilprojekt, numerische Nachrechnungen durchgeführt, um die Potentiale, aber auch die Limitierungen bei der Anwendung formadaptiver Hochdruckverdichterbeschaufelungen zu bewerten.
Zusätzlich zum aerodynamischen Design wird ein Mechanismus entwickelt, um die Form der Schaufel flexibel an die Formanforderungen aus der aerodynamischen Auslegung anzupassen. Dabei muss gewährleistet werden, dass der Verdichter nach der strukturellen Verformung die vorausgesetzten Betriebsanforderungen erfüllt. In der Vergangenheit wurden bereits verschiedene Aktuator-Konzepte für formvariable Verdichterschaufeln untersucht. Dabei wurden strukturell integrierte piezokeramische Aktuatoren als eines der vielversprechendsten Konzepte identifiziert. Durch die Integration dieser Aktuatoren in der Schaufelstruktur ist es beispielsweise möglich, die Anstellwinkel der Schaufelschnitte variabel an veränderliche Betriebszustände des Triebwerks anzupassen. Durch Streckung oder Stauchung in eine definierte Richtung, können die Aktuatoren die Form der Schaufel verändern. Die größte Herausforderung auf der Strukturseite besteht folglich darin, die richtige Ausrichtung und Platzierung der Aktuatoren zu identifizieren, um den erreichbaren Twist zu maximieren und gleichzeitig die Festigkeit der Schaufel zu gewährleisten und die aerodynamischen Randbedingungen zu erfüllen.
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