Verstellring für Verdichterleitschaufeln
Laufzeit: 2012-2016
Der im Institut für Bauweisen und Strukturtechnologie entwickelte hybride Verstellring beruht auf einem schon 1995 zum Patent angemeldeten hybriden Leichtbaukonzept zur synchronen Verstellung von Leitschaufeln im Hochdruckverdichter von Triebwerken. Unter Beteiligung von BMW-Rolls-Royce, heute Rolls-Royce Deutschland, und einem mittelständischen Unternehmen ist dieser Ring bis zum Jahr 2000 entwickelt und getestet worden. Die Thematik des hybriden Verstellrings ist heute aktueller denn je!
Die entwickelte Hybridstruktur beruht auf der Kombination eines kohlenstofffaserverstärkten, hochtemperaturbeständigen Kunststoffringes mit Aluminiumunterzügen. Durch diese Materialpaarung kann ein thermaler bzw. struktureller Ausdehnungskoeffizient gewährleistet werden, der die thermale Dehnungskompatibilität zum Verdichtergehäuse sicherstellt, auf dem der Ring gleitend gelagert ist. Funktionsintegrierter Leichtbau vermeidet das Gewicht zusätzlicher Elemente zur Fügung der Substrukturen. Diese erfolgt, indem die Verbindungselemente in ihrer zweiten Funktion die Kinematik des Ringes an die Verstellhebel weitergeben, die direkt mit den Statorschaufeln verbunden sind.
Das Hybridringsystem zeichnet sich durch ein geringes Strukturgewicht aus, das gegenüber dem 1995 im Einsatz befindlichem, auf Titan basierendem System, ein um nahezu 50% reduziertes Strukturgewicht aufweist. Zusätzlich kann die verbesserte Funktionalität für höhere Verstellgenauigkeiten genutzt werden, da geringere Kaltspalte realisiert werden können. Auch die Kosten sind im Vergleich zum damaligen Konzept reduziert worden. Inzwischen gibt es aber metallische Verstellringe, die eine weitere Reduktion der Kosten erlauben. Das Strukturkonzept wurde nach Abschluss der Entwicklungen in das RRD-Portfolio für Verstellringe zukünftiger Triebwerke aufgenommen.
Die Verifikation der Ringe erfolgte zunächst auf einem Prüfstand bei RRD in Oberursel, wobei sich die strukturellen Vorteile klar herausstellten. Nach einem Montageablauftest bei RRD erfolgte die Integration auf ein Kerntriebwerk, das ebenfalls erfolgreich auf dem Höhenprüfstand des Instituts für Luftfahrtantriebe der Universität Stuttgart getestet wurde.
In jüngster Vergangenheit hat der hybride Verstellring an Beachtung gewonnen. Seine gesteigerte Funktionalität in Form einer genaueren Verstellung der Leitschaufeln soll dazu beitragen, die Strömung im Ringkanal homogener zu gestalten. Dadurch sollen Störungen reduziert werden, welche die schwingungsempfindlichen Blisken unbeabsichtigt anregen. Im aktuellen europäischen Projekt E-BREAK (Engine Breakthrough Components and Subsystems) arbeitet das Institut Bauweisen und Strukturtechnologie zusammen mit Partnern an der Adaption des Systems an moderne Triebwerke. Diese Strukturkomponente ist ein Beispiel für die komplett abgebildete Prozesskette – von der Idee bis zum Bauteil - innerhalb des Instituts.
Im EU-Projekt "EBreak" im Rahmen des FP7 wurde das Konzept für ein "Engine Break Trough Technologie"-Projekt für eine serienreife Fertigung und Erprobung weiterentwickelt und mit einem industriellen Partner unter Einhaltung der Technologiereifestufen zur Qualitätssicherung bearbeitet.