Neue Fortschritte bei der Simulation von Mantelstromtriebwerksscheiben
Die Fertigung beinhaltet verschiedene Schritte, durch welche die Rohstoffe in ein Endprodukt umgewandelt werden. Innerhalb des Rahmenwerks von INTFOP (Integrating forging and process simulation for turbine disks) haben Wissenschaftler Entwurfsketten-Simulationssoftware für Niederdruckturbinenscheiben von Getriebefan-Triebwerken entwickelt. Diese Flugzeugtriebwerkstechnologie hat aufgrund einer erheblichen Reduzierung von Treibstoffverbrauch und Lärm im Vergleich zu herkömmlichen Mantelstromtriebwerken seinen Weg in den regionalen Markt gefunden. Die Wissenschaftler wollen eine erfolgreiche Entwurfskette zur Optimierung von Rotorscheiben in Hinsicht auf deren mechanischen Eigenschaften gewährleisten. Mit Hilfe des neu entwickelten Instruments begründeten die Wissenschaftler eine Methode zur Modellierung von zwischenbetrieblichen Entwurfsketten, die bisher fehlte. Ziel der Triebwerkshersteller bei der Konstruktion der Rotorscheibe ist es, die Anforderungen in Bezug auf strukturelle Integrität, Lebensdauer und Gewicht zu erfüllen. Die Entwurfsmethoden beruhen somit auf der Vorhersage von Materialeigenschaften wie Streckfestigkeit, Kurzzeit-/Dauerschwingfestigkeit (Ermüdung) und Kriechen. Diese Eigenschaften korrelieren mit der aus Schmieden und Wärmebehandlung resultierenden Mikrostruktur der Rotorscheibe. Die Wissenschaftler haben mit Erfolg einen Computermodellierungsansatz entwickelt, um diese funktionellen Eigenschaften und deren Variabilität vorherzusagen. Auch ein topmoderner thermomechanischer Prozess für Referenz- und Demonstratorscheiben wurde erfolgreich entwickelt. Die Wissenschaftler führten umfangreiche Finite-Elemente-Analysen der thermomechanischen Bearbeitung durch, um zu einem tieferen Verständnis von deren Folgen für die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften der Scheiben zu gelangen. Überdies entwarfen sie verschiedene Prozessauslegungen, um beispielsweise den Effekt der Wiedererwärmung auf die mechanischen Eigenschaften zu untersuchen. Ein weiterer Erfolg war die Entwicklung einer geeigneten Schnittstelle, welche eine Kollaboration von Simulationsergebnisse ermöglicht. Das beinhaltete die Definition von Datenformaten sowie die Entwicklung und Bewertung geeigneter Datennachbearbeitungsmethoden und -werkzeuge. Die Wissenschaftler entwarfen zwei Demonstrator-Scheibenrotoren und führten 136 Warmzugversuche, 17 Kurzzeitschwingfestigkeitstests und 16 Zeitstandversuche durch. Eine erfolgreiche Umsetzung der integrierten Schmiede- und Prozessgestaltungssimulationen bestätigte sich in den Resultaten, die einen Zusammenhang zwischen den tatsächlichen und experimentellen Werten aufzeigten. Die Projektergebnisse könnten bei der Simulation des Prozessdesigns von aus Legierung 718 geschmiedeten Triebwerksteilen wie etwa Scheiben zum Einsatz kommen. In Bezug auf ihre mechanischen Eigenschaften und das Gewicht optimierte Teile sollten dazu führen, dass zukünftige Flugzeugtriebwerke über einen höheren Wirkungsgrad verfügen und weniger Emissionen verursachen.
