Zum Potenzial von additiven Fertigungsverfahren in zukünftigen Triebwerksverdichtern

Additive Fertigungsverfahren haben in den letzten Jahren große Fortschritte hinsichtlich Maschinentechnik und Prozessführung gemacht, wodurch sie für die Konstruktion von Triebwerksbauteilen in Betracht gezogen werden. Einer der Vorteile der additiven Fertigungsverfahren ist die Fertigbarkeit von komplexen Bauteilen, welche dem Triebwerkskonstrukteur neue Möglichkeiten in der Bauteilgestaltung eröffnet. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass das Potenzial der additiven Fertigungsverfahren noch weiter ausgenutzt werden kann, wenn Triebwerksbauteile und -baugruppen von Beginn des Produktentwicklungsprozesses an für die additive Fertigung ausgelegt werden.
In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, welche Anwendungsmöglichkeiten sich für die additiven Fertigungsverfahren in einem modernen Triebwerksverdichter bieten. Dabei wurden einzelne Baugruppen identifiziert, deren Um- oder Neugestaltung einen signifikanten Beitrag zur Verbesserung der Verdichterperformance und der Massenverminderung eines zukünftigen Verdichters leistet. Die Ergebnisse der weitergeführten Untersuchungen anhand zweier Anwendungsbeispiele zeigen, dass eine Konstruktion für die additive Fertigung auf Baugruppen- oder Modulebene großes Potenzial für die Entwicklung zukünftiger Triebwerksverdichter besitzt.
Die Untersuchungen in der vorliegenden Arbeit werden anhand von strukturmechanischen Simulationen (FEM) detailliert dargestellt. Als erstes Untersuchungsbeispiel dient die einem aktuellen Triebwerksverdichter entnommene Rotorschaufel einer Frontstufe in Integralbauweise. Dabei wurde der Einfluss eines Hohlraumes innerhalb der Schaufel auf die Masse der Schaufel untersucht. Im nächsten Schritt wurden Strukturen innerhalb der Schaufel untersucht, mit dem Ziel, die Eigenschwingungsformen und damit das Schwingungsverhalten der Schaufel gezielt zu modifizieren. Ein zweischaliges Verdichtergehäuse für die hinteren Stufen eines Hochdruckverdichters mit auxetischen Strukturen zwischen den Gehäuseschalen dient als zweites Untersuchungsbeispiel. Die auxetischen Strukturen wurden im Gehäuse eingebracht, um das Verschiebungsverhalten des Gehäuses im Betrieb des Verdichters gezielt einzustellen. Um den Schaufelspitzenspalt zu berechnen, wurde die Verschiebungskurve eines Beispielrotors über dem Lastzyklus einmalig berechnet und mit der Verschiebungskurve der jeweiligen Gehäusegeometrie verglichen.