Faserverbundbauteile für die Luftfahrt ANNULUS FILLER FÜR ROLLS-ROYCE STRAHLTRIEBWERKE vom Konzept zum «flying testbench» Dr. Gion A. Barandun Fachbereich Faserverbund / Leichtbau VPE Symposium, 22. April 2015 Inhalt und Kontext Entwicklungen der letzten Jahre im Flugzeugbereich Zusammenspiel von Kosten – Effizienz – Sicherheit Neue Materialien und Bauweisen: Kosteneffizienter Leichtbau steigert den Nutzen Betriebssicherheit erhalten oder erhöhen Projektbeispiel: Entwicklung eines «Annulus Fillers» für künftige Triebwerksgenerationen von Rolls-Royce Anforderungen Entwicklung Test Treibende Faktoren bei der Entwicklung von Flugzeugen Kosten (Anschaffung, Betrieb) Preiskampf unter den Airlines Entwicklung der letzten 30 Jahre: «Billigflieger» Effizienz (Treibstoff, Nutzlast) «Effizientere Flugzeuge sind günstiger» Direkte Auswirkung auf Kosten! Ressourcen- und CO2-Problematik Leichtbau mehr Sitze oder weniger Verbrauch Sicherheit (Täglicher Betrieb über ~25 Jahre) «Safety first» - Design, Materialien, Inspektion, Wartung Extrem konservative Ansätze bei der Auslegung 3 «Neue Materialien eröffnen neue Möglichkeiten» Entwicklung der Flugbewegungen 2011: 84’000 Flüge pro Tag 2030: 170’000 Flüge pro Tag Quellen: ZHAW & A. Offringa, Fokker 4 Effizienz: Verkehrsaufkommen und Treibstoffkonsum RPK: Revenue Passenger Kilometers (Passagierkilometer) ASK: Available Seat Kilometers (Sitzplatzkilometer) Starke Zunahme des Luftverkehrs, trotzdem rel. geringer Anstieg des Treibstoffbedarfs Grund: hocheffiziente Triebwerke Quellen: IHS CERA, ICAO, OAG, Airbus 5 Effiziente Triebwerke Stärkere & effizientere Triebwerke Höheres Triebwerksgewicht Verstärkte, schwerere Flügelstruktur Weniger Kapazität für Treibstoff Kürzere Reichweite Boeing 737 und 777 (Quelle: airliners.net) Leichtbau-Lösungen zur Kompensation notwendig! Rolls-Royce CTi Fan Blade 6 Kontext: Trend zu Composite-Materialien im Flugzeugbau Gewichtanteil 787 777 Composites 50% 12% Aluminium 20% 50% Quelle: Boeing 7 Kontext: Faserverbundwerkstoffe («Composites») Faserverbundwerkstoffe bestehen i.a. aus einer bettenden Matrix (Epoxid, Polyester) und den verstärkenden Fasern (Carbon, Glas, Aramid) Der Werkstoff entsteht während des Verarbeitungsprozesses aus Faser & Matrix Faserverbundwerkstoffe haben bei niedrigem Gewicht extrem hohe Steifigkeiten und Festigkeiten (Leichtbau!) Aufgrund der Faserarchitektur sind die Eigenschaften stark richtungsabhängig Beispiel: Zugstäbe für Krane - Nur ¼ des Gewichts von Stahl - Höhere Steifigkeit/Festigkeit - Höhere Nutzlast 8 Fasern Lagen Matrix Quelle: DLR Stuttgart Quellen: Carbo-Link/vertikal.net Projektübersicht: Annulus Filler für Rolls-Royce Triebwerke Einführung / Zielsetzung Leichtbauanforderungen Turbine Verdichter Bestehende Lösung Faserverbund Lösung Serienproduktion Luftleitblech (Annulus Filler) Brennkammer Fan Fan bringt den Schub für den Antrieb 9 Einleitung: Luftleitblech Das Luftleitblech füllt den Abstand zwischen zwei Turbinenschaufeln («Blades») eines Strahltriebwerks aus. Es stellt die optimale Aerodynamik sicher und dichtet zwischen den Schaufeln ab. Material: meist Aluminium (heute: aus dem Block gefräst) Pro Triebwerk 18 – 20 Stück (Bauteile identisch) Zielsetzung des Projektes: Gewichtsreduktion durch Metallersatz 10 Typischer Aluminium filler Heutige Langstreckenflugzeuge Trend im Flugzeugbau (Langstrecke): Aus Effizienzgründen: Nur zwei, dafür grosse Triebwerke (big is beautiful) Transatlantikflug: Ausfallsicherheit? McDonnell Douglas MD-11 Anforderungen an das Luftleitblech: Sehr hohe zentrifugale Kräfte infolge der Rotation der Welle des Triebwerks Schlagbeanspruchung («Impact, hail/bird/tool strike») Boeing 787 Minimale Beschädigung der restlichen Struktur beim Versagen («filler-off») Möglichst niedriges Gewicht Einfach und zuverlässig zu montieren 11 Video: Triebwerkstest (Hail Strike/Bird Strike) 12 Leichtbaupotential durch Faserverbundbauweise Filler Casing heute Fan blades wikipedia Quelle: Rolls-Royce Titanium Blades Aluminium Filler Metallic Casing morgen Quelle: GKN Quelle: GKN Composite Blades Composite Filler Composite Casing 13 Vorteile: • Weniger Gewicht • Weniger Treibstoff • Weniger CO2 • Erhöhte Sicherheit • Kosteneffizienz Leichtbaupotential durch Faserverbundbauweise Heute: Blades aus Titan, Filler aus Aluminium • Massive Hülle aus Composite und Aluminium notwendig, um bei Versagen der Komponenten («blade-off», «filler-off») ein Durchschlagen des Flügels oder der Kabine zu verhindern • Die Blades und Filler sind duktil und beschädigen im Versagensfall das Triebwerk (u.a. Blades). Bruch der Turbinenscheibe «uncontained engine failure» Neu: Blades aus Composite, Filler aus Composite • Filler oder Blade werden bei einem Versagen dank ihres spröden Verhaltens zertrümmert. Das casing kann dadurch leichter gebaut werden (nur Composite, bis zu 250kg leichter pro Triebwerk; Trent 1000: 5.7t) • Filler wird durch die Turbine nach hinten ausgeschieden – geringeres Schadensausmass • Generell: Reduktion der rotierenden Masse 14 Schadensfall Quantas Airbus A380 nach Bruch der Turbinenscheibe (Titan) der Mitteldruckturbine. Das Durchschlagen der Tragfläche muss durch das casing verhindert werden. Video: Fan Blade-Off (FBO) 15 Aluminium Filler ersetzen durch Composite Filler Der bestehende Aluminium Filler ist mit Haken direkt auf der rotierenden Welle («Fan Disc») befestigt Er wird nach der Montage der Blades radial von oben zwischen den Blades eingefädelt und nach hinten gedrückt – dabei rasten die Haken ein Von vorne wird der Filler mit einem Ring und dem Nasenkonus («Nose Cone») fixiert PU-Coating Dichtung gegen Blade Fixierung vorne Haken zur Filler Montage 16 Haken Fan Disc Aufgaben der Projektpartner Rolls-Royce: Kunde. Hat den «Call» innerhalb EU FP7 ausgeschrieben Fachliche Begleitung und Qualitätssicherung Institut für Werkstofftechnik und Kunststoffverarbeitung IWK, HSR: Konzeptvorschläge und Konzeptbewertung Mechanische Auslegung mit Finite Element Methoden Mechanische Prüfung von Sub-Komponenten Konstruktion des Bauteils inkl. Fertigungszeichnungen Prozessauslegung mittels Simulation Konstruktion des Fertigungswerkzeuges FACC: Werkzeugbeschaffung Inbetriebnahme des Prozesses, Fertigung der Bauteile Qualitätssicherung 17 Produktentwicklung Konzepte Down-selection Material Auslegung Prozess Kosten CAD NX8 Starke Abhängigkeit bei Composites! Konstruktion Materialdatenbanken RR/FACC FE ANSYS ACP RTM-Simulation myRTM Kostensimulation FACC (Recycling) 18 Auslegung: Struktursimulation Berechnung der Deformation der Oberfläche, um ein optimales aerodynamisches Profil bei Reisegeschwindigkeit zu erhalten. Berechnung der “unrun shape” basierend auf der Deformation – später für die Herstellung und Prozesssimulation verwendet Analyse der Spannungen im Bauteil unter “hot/wet”Bedingungen Deformation der Oberfläche (skaliert) 19 Auslegung: Spezialitäten Vereinfachter Querschnitt des Fillers Der Composite Filler wird mit den Haken auf der Fan Disc fixiert Zentrifugale Kräfte Die zentrifugalen Kräfte bewirken eine Bewegung von «web» und «lid» und somit Spannungen im TJoint und im U-channel lid web Je nach Bewegung (nach innen oder aussen) von lid und web ist mit interlaminaren Spannungen (ILS, Interlaminar Shear Stresses) oder Spannungen in Dickenrichtung (TTT, Through Thickness Tensile Stresses) zu rechnen Mögliche Bewegungsmuster T-Joint Fixierung Die Grössenordnung dieser Spannungen muss ermittelt werden, sie stellen ein wichtiges Design-Kriterium dar U-channel 20 Rotation Auslegung: Analyse U-channel Filler web Bewegung Biegung in Richtung des Radius (nicht entgegen des Radius) Through Thickness Compression, nicht Through Thickness Tensile Stesses! Versagen nicht aufgrund von interlaminaren Effekten sondern aufgrund von Faserbruch. Versuch: Faserbruch Voraussage FE: Faserbruch (keine Delamination!) 21 Auslegung: T-section FE-simulation Experiment TTT ILS 22 Auslegung Herstellungsprozess: Resin Transfer Moulding RTM Harzinjektionsverfahren Trockene Faserhalbzeuge werden mit flüssigem Harzsystem imprägniert (unter Druck) Chemische Reaktion, Aushärtung in der Form Entformung dank Verwendung unterschiedlicher Formmaterialien (Wärmeausdehnung) möglich Mechanische Nachbearbeitung für Endkontur notwendig Upper die (Invar) Aluminium core Preform Lower die (Invar) Werkzeug mit Halbzeug (Schnittdarstellung) Füllsimulation (myRTM, IWK) Vorteile: Effiziente Produktion Hohe Qualität Geeignet für hohe Stückzahlen Entformtes Bauteil (moulded shape), vor mechanischer Bearbeitung 23 Fertigungswerkzeug bei FACC Unterwerkzeug Kern mit Preform Oberwerkzeug 24 Resultat aus dem Forschungsprojekt: Composite Filler Die Resultate innerhalb des Forschungsprozess sind sehr vielversprechend: Robuster Herstellungsprozess, gut funktionierendes Werkzeugkonzept Sehr gute Bauteilqualität (<<1% Porengehalt) Ca. 30% Gewichtsersparnis gegenüber der metallischen Variante Festigkeits- und Steifigkeitsanforderungen erfüllt Composite-Lösung auch als RetrofitLösung für existierende Triebwerke anwendbar. 25 Weg zum Serienprozess Die Entwicklungen werden voraussichtlich in den nächsten 4-6 Jahren in einen Serienprozess zur Herstellung von Fillern für die kommende Triebwerksgeneration umgesetzt. Dazu notwendig: Tests in einem rotierenden Prüfstand sowie in einem Triebwerk («flying test bench», Boeing 747-200 von Rolls Royce) Aufbau einer kompletten Fertigungslinie: Zuschnitt – Preforming – Injektion – Nachbearbeitung – zerstörungsfreie Prüfung – Anbauteile 26 Quelle: Rolls-Royce ALPS Triebwerk: flying test bench Advanced Low Pressure System Prototyp der nächsten Generation Triebwerke von Rolls-Royce 27 ALPS Triebwerk: flying test bench, Erstflug am 14.10.2014 28 Danksagung Herzlichen Dank an die Partner FACC und Rolls-Royce plc. für die hervorragende Zusammenarbeit. Das Projekt wurde im Rahmen des europäischen Forschungsprogramms FP7 vom Konsortium Cleansky gefördert. 29 Faserverbundbauteile für die Luftfahrt ANNULUS FILLER FÜR ROLLS-ROYCE STRAHLTRIEBWERKE vom Konzept zum «flying testbench» Dr. Gion A. Barandun, [email protected] Fachbereich Faserverbund / Leichtbau VPE Symposium, 22. April 2015
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