Das Triebwerk der Zukunft

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HSR Hochschule für Technik IWK, Inst.f. Werkstofftechnik und Kunststoffvearbeitung

Vielseitiger Entwicklungsprozess

Moderne Triebwerke erzeugen 80 Prozent ihres Schubes durch den sogenannten Mantelstrom, der von den grossen Turbinenschaufeln am Einlass erzeugt wird. Zwischen diesen Schaufeln befinden sich aerodynamische Filler. Sie sind zwar unscheinbar, für den Betrieb jedoch sehr wichtig: Sie stellen eine optimale Strömung sicher, gewährleisten die Abdichtung und müssen dem Aufprall von Fremdkörpern widerstehen, beispielsweise bei Hagel- oder Vogelschlag. Während des Betriebs sind sie hohen zentrifugalen Kräften ausgesetzt. Aktuell bestehen diese Annulus Filler aus Aluminium. Die filigranen Bauteile werden aus Qualitätsgründen aus einem Aluminiumblock gefräst – die Stückkosten sind daher sehr hoch.

In drei Jahren entwickelten Rolls-Royce, FACC und das IWK gemeinsam die nächste Filler-Generation. Rolls-Royce als Auftraggeberin definierte dabei die Anforderungen und Randbedingungen, das IWK konzeptionierte und legte vor allem Bauteile und Prozesse aus, während FACC gegen Projektende Nullserien-Filler herstellte. Von Anfang an herrschte eine inspirierende und dynamische Atmosphäre im internationalen Team. Es ist auch diesem Umstand zu verdanken, dass ein funktionierender Prozess und ein erfolgreiches Bauteil entstanden sind.

Während der Entwicklung des Fillers griff das IWK auf digitale Simulationen und Optimierungen zurück. Dies umfasst einerseits die Struktursimulation mittels Finite-Elemente-Methoden, um den sicheren Betrieb des Bauteils zu gewährleisten. Andererseits wurde auch der Herstellungsprozess mit einer vom IWK selbst entwickelten Software ausgelegt und optimiert. Der Filler wird im «Resin Transfer Moulding»-(RTM-)Verfahren hergestellt – dabei werden die trockenen Carbonfasern in eine Kavität zwischen Unter- und Oberwerkzeug eingelegt und vom flüssigen Harzsystem imprägniert. Die Benetzung der Fasern muss dabei vollständig und innerhalb des Verarbeitungsfensters des Harzes geschehen – eine Optimierung, die mit Vorteil virtuell geschieht, da sonst teure Werkzeugänderungen anfallen.

Um die Struktursimulationen zu verifizieren, wurden zahlreiche Experimente – meist auf Coupon- oder Subkomponentenebene – durchgeführt, bevor das komplette Bauteil schliesslich gemäss den Anforderungen von Rolls-Royce simuliert wurde.

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