Das Design von Triebwerken mit hoher Effizienz bei veränderlichen Betriebsbedingungen ist ein wichtiger Schritt zur Entwicklung nachhaltiger und emissionsarmer Flugzeuge. Mit adaptiven Schaufeln ausgestattete Fans und Verdichter können ihre Form gezielt verändern und dadurch die aerodynamischen Anforderungen in jedem Betriebszustand des Triebwerks und des Flugzeugs optimal erfüllen.
Strömungsanpassung für mehr Umweltfreundlichkeit
Mit Hilfe adaptiver Schaufeln werden der Treibstoffverbrauch und die Treibhausgasemissionen reduziert. Die Anwendung dieser Art von Schaufeln ist aber nicht nur für herkömmliche Flugzeuge und Triebwerke geplant, sondern auch für alternative Antriebskonzepte und Flugzeugkonfigurationen wie Blended Wing Body (BWB)-Flugzeuge sowie bei Systemen, die neue Treibstoffe als mögliche Wege zur Emissionsreduktion anwenden.
Durch solche innovativen Konzepte entstehen neue Herausforderungen beim Flugzeugkonzeptentwurf und insbesondere bei der Triebwerksentwicklung, da die Leistung dieses Systems für die Gesamteffizienz des Luftfahrzeugs von wesentlicher Bedeutung ist. Durch die Implementierung formvariabler Schaufeln an den verschiedenen Komponenten eines Triebwerks, z. B. dem Fan oder dem Verdichter, ist es möglich, die Geometrie der Schaufeln entsprechend den aerodynamischen Anforderungen im aktuellen Betriebszustand des Triebwerks zu verändern. Die adaptierten Komponenten erlauben eine Anpassung an unterschiedliche Luftströme, was zu einer Erhöhung der Betriebsflexibilität und einem effizienteren Triebwerks- und Flugzeugsystem führt. Eine mögliche technische Lösung zur Erreichung dieser Ziele besteht in der Verwendung strukturintegrierter Aktuatoren auf den Schaufeloberflächen. Die Aktuatoren werden aus aktiven Materialien wie Piezokeramiken oder Formgedächtnislegierungen hergestellt. Durch ihre Fähigkeit zur kontrollierten Ausdehnung oder Kontraktion sind sie in der Lage, die Form der Schaufeln zu verändern, um die gewünschten aerodynamischen Effekte zu erreichen.
Aerodynamik und Struktur in Interaktion
Da die Änderung der Schaufelgeometrie signifikante Auswirkungen auf das Strömungsverhalten hat, ist eine starke und robuste Kopplung zwischen den Disziplinen Strukturentwurf und Aerodynamik notwendig. Nur so kann ein effizienter Designprozess gewährleistet werden.
Eine Basisgeometrie, beispielsweise aus einer Standardtriebwerkschaufel-Konfiguration, bildet den Ausgangspunkt des gekoppelten Entwurfsprozesses. Die Zielgeometrie ergibt sich aus Vorgaben an das aerodynamische Verhalten bei maximaler Effizienz oder unter extremen Strömungsbedingungen. Durch die Modifikation der Schaufelgeometrie ist es möglich, eine Effizienzsteigerung zu bewirken. Um die adäquate Form zu erreichen, muss der Entwurfsprozess den Einfluss verschiedener struktureller und aerodynamischer Parameter berücksichtigen, wie geometrische Variablen, Belastungsbedingungen, Luftgeschwindigkeiten und mögliche Materialeigenschaften. Auch die Art und Weise, wie die Schaufeln hergestellt oder montiert werden, spielen eine Rolle. Um die Abweichung zwischen den aerodynamischen Zielgeometrien und den strukturell realisierbaren verformten Geometrien zu minimieren, führt ein iterativer Entwurfsprozess eine kontinuierliche und enge Kopplung zwischen den Entwurfsvariablen beider Disziplinen durch. Die Abweichung zwischen beiden Formen wird bei jedem Iterationsschritt überwacht, bis eine ideale Form erreicht worden ist. Diese gekoppelte Analyse ermöglicht eine detaillierte Bewertung des Potenzials der unterschiedlichen Arten von Schaufeldeformationen hinsichtlich ihrer aerodynamischen Wirkung.
Die Auswahl und der Entwurf von Aktuatorkonzepten und adaptiven Triebwerkschaufeln, die mehr Flexibilität und einen höheren Gesamtwirkungsgrad des Triebwerks erlauben, leisten einen Beitrag zu einer umweltfreundlicheren Luftfahrt.
