Bartsch, Marion

Belz, Joachim

Hausmann, Joachim

Kocian, Frank

Nicke, Eberhard

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Institute of Transport Research:Publications

Multidisziplinäre Verdichterkonzepte mit neuartigen WerkstoffsystemenWerkstoff-Kolloquium Dezember 2013 in KölnFrank Kocian Inst. f. Bauweisen- und KonstruktionsforschungDr. Joachim Hausmann Inst. f. Werkstoff-ForschungProf. Dr. Marion Bartsch Inst. f. Werkstoff-ForschungDr. Eberhard Nicke Inst. f. AntriebstechnikDr. Joachim Belz Inst. f. Aeroelastikwww.DLR.de  •  Folie 1 > Werkstoff Kolloquium > Kocian > 03.12.2013Inhalt• Fertigung einer lasttragenden Leitschaufel• Analyse der Technologie• Technologische Weiterentwicklung CRISP II• Aerodynamische Weiterentwicklung CRISP II• Strukturmechanische Modellbildung CRISP II• Aeroelastische Analysen für CRISP II• Materialkombination für optimale Funktionalität Modellierung eines Interfaces  Entwickung eines effizienten Material Interfaces• Zusammenfassung  > Werkstoff Kolloquium > Kocian > 03.12.2013www.DLR.de  •  Folie 2Fertigung einer lasttragenden Leitschaufel> Werkstoff Kolloquium > Kocian > 03.12.2013www.DLR.de  •  Folie 3Ø 2031Statorschaufel (CF-PEEK)300Versteifungselement(CF-PEEK)Aufhängungspunkte (Titan)Flanschring (CF-PEEK)Innerer Annulus (Titan)Hergestellte lasttragende Leitschaufel  (CF-PEEK)> Werkstoff Kolloquium > Kocian > 03.12.2013www.DLR.de  •  Folie 4Fertigung einer lasttragenden LeitschaufelVariante I• Mehrere dünne Platten / Einzellagen• Umformung und Zuschnitt• KonsolidierungVariante II• Zwei dicke Platten• Umformung und Zuschnitt• Konsolidierung> Werkstoff Kolloquium > Kocian > 03.12.2013www.DLR.de  •  Folie 5Fertigung einer lasttragenden LeitschaufelTransporteinheit zur Lagerung der Platten Infrarot VorheizfeldHeizbare Presse Herstellung Variante I• Umformung und anschließender Zuschnitt mittels Wasserstrahl• „Blech“- Positionierung durch Laserprojektion• Einbringen zusätzlicher Matrix durch Folien• Viele Einzelzuschnitte sind notwendig – bessere Anpassung der Struktur an die Fertigung > Werkstoff Kolloquium > Kocian > 03.12.2013www.DLR.de  •  Folie 6Fertigung einer lasttragenden Leitschaufel> Werkstoff Kolloquium > Kocian > 03.12.2013www.DLR.de  •  Folie 7PlattenherstellungVorformenZuschnitt / FräsenVorkonditionierungBestückung der FormKonsolidierungEndbearbeitungVariante I Kostenanteile Variante II Kostenanteile• Kostenkalkulation zusammen mit Projektpartner RRD• Einsparung von 17 % bei Wechsel von Variante I zu Variante II• Weiteres Optimierungspotenzial für Variante II bietet die automatisierte PlattenherstellungAnalyse der Technologie> Werkstoff Kolloquium > Kocian > 03.12.2013www.DLR.de  •  Folie 8Herkömmliche Lösung:• Zwiebelschalenaufbau der Lagen im Profil• Einzelne Zuschnitte müssen exakt in die Form passen• Herstellungsaufwand sehr hochNeues Fertigungskonzept:• Zur Blattherstellung wird ein „organisches Blech“ in einer Heißpresse umgeformt• Skelettfläche ist Mittelfläche des Blattrohlings• Das endgültige Blattprofil entsteht durch Fräsbearbeitung der AußenkonturAnalyse der TechnologieProfilierung durch Einzellagenaufbau am Beispiel  eines ProfilabschnittesProfilierung und Zuschnitt der Lagen erfolgt während des Fräsvorganges> Werkstoff Kolloquium > Kocian > 03.12.2013www.DLR.de  •  Folie 9• Gegenüber konventionellen Bauweisen enden hier Fasern an der Bauteiloberfläche – Shakerversuche zum Nachweis ausreichender Festigkeit unter zyklischer Last• Nachträgliche Oberflächenbearbeitung muss ausreichende Qualität bereitstellen –Nachweis erfolgte durch Bearbeitung von Teststrukturen Versuche an Proben mit Lagenebene = Schwingebene bei 107 Lastzyklen  (50% 0°und 50% +/-45°)Versuch1: σx = 472.8MPa, Ɛx = 0.619%Versuch2: σx = 411.5MPa, Ɛx = 0.538%Versuch3: σx = 437.8MPa, Ɛx = 0.573%Versuch4: σx = 429.0MPa, Ɛx = 0.561%Versuch5: σx = 437.8MPa, Ɛx = 0.573%Höhere Spannungen ohne Modifikationen nicht möglich aufgrund Überhitzung des ShakersAnalyse der TechnologieLaminatebeneTechnologische Weiterentwicklung CRISP II (Counter Rotating Integrated Shrouded Propfan)> Werkstoff Kolloquium > Kocian > 03.12.2013www.DLR.de  •  Folie 10Ziele:• Wirkungsgradsteigerung gegenüberklassischem Fan• Niedrige Schallemission• Leichtbau• Vereinfachte Fertigungstechnik der BlätterVon MTU entwickelter und vom DLR getesteter CRISP Verdichter• IAE V2500 Technologielevel 2000• BPR: ~ 4.8-4.9• Fandruckverhältnis ~ 1,6• Axialmachzahl ~ 0.6• GTF (PW1100G) Technologielevel 2012• BPR@ Takeoff:  ~12; • BPR @ Cruise:  ~ 10• Fandruckverhältnis@Cruise ~ 1.48• Axialmachzahl  ~ 0.6 - 0.65 > Werkstoff Kolloquium > Kocian > 03.12.2013www.DLR.de  •  Folie 11Aerodynamische Weiterentwicklung CRISP IIEntwicklung Fandruckverhältnis + BypassverhältnisKlassischer Fan(oder GTF)Wirkungsgrad ηQuelle: T. Lengyel-Kampmann• IAE V2500 Technologielevel 2000• BPR: ~ 4.8-4.9• Fandruckverhältnis ~ 1,6• Axialmachzahl ~ 0.6• GTF (PW1100G) Technologielevel 2012• BPR@ Takeoff:  ~12; • BPR @ Cruise:  ~ 10• Fandruckverhältnis@Cruise ~ 1.48• Axialmachzahl  ~ 0.6 - 0.65 • CRISPII-Triebwerk:• Technologielevel 2025 / underwing installation• BPR ~ 15• Fandruckverhältnis ~ 1.3• Axialmachzahl ~ 0.7Gegenläufiger Fan(CRTF)Wirkungsgrad η> Werkstoff Kolloquium > Kocian > 03.12.2013www.DLR.de  •  Folie 12Aerodynamische Weiterentwicklung CRISP IIEntwicklung Fandruckverhältnis + BypassverhältnisQuelle: T. Lengyel-Kampmann> Werkstoff Kolloquium > Kocian > 03.12.2013www.DLR.de  •  Folie 13Strukturmechanische Modellbildung CRISP II• Die Strukturanalyse der CFK-Beschaufelung erfolgt unter Aufprägung von Drucklasten aus der Aerodynamik und Rotationslasten• Neben der statischen Spannungsermittlung werden auch Eigenfrequenzen und Eigen(schwingungs)formen ermittelt• Zur detaillierten Auswertung von CFK Materialien ist eine Schalenmodellierung erforderlichVolumenmodell (links) zeigt weitgehend identische Hauptdehnungen  für Rotor 2 im Vergleich zur Schalenmodellierung (rechts) Quelle: D. Görke> Werkstoff Kolloquium > Kocian > 03.12.2013www.DLR.de  •  Folie 14Strukturmechanische Modellbildung CRISP II• Genaue Kenntnis der Eigenfrequenzen und Eigenformen ist die  Basis für aeroelastische Analysen• Vergleiche zwischen verschiedenen Programmen und Modellierungen zeigen gute Übereinstimmung für die Dynamik  Hexaeder SchalenHEX8SHELL4 mit PRESSTIFF PERMASSHELL4 ohne PRESSTIFF PERMASSHELL4 NASTRANQuelle: D. GörkeQuelle: M. BlocherAeroelastische Analysen für CRISP II FlatternÜberprüfung der Flatterneigung für beide Rotoren • vorgegebene Schaufelschwingung in den berechneten Eigenformen• Berechnung der dadurch hervorgerufenen instationären Luftkräfte• Auswertung über Arbeitsaustausch zwischen Fluid und Struktur• Ergebnis: aerodynamische Dämpfung für Rotor 1 und Rotor 2Inst. Drücke, Rotor 1Rotor 1Rotor 2> Werkstoff Kolloquium > Kocian > 03.12.2013www.DLR.de  •  Folie 15Quelle: M. BlocherAeroelastische Analysen für CRISP II Forced Response • Bestimmung der maximalen Schwingungsamplituden durch Rotor-Rotor-Wechselwirkung• Identifikation von kritischen Betriebspunkten aus Campbell-Diagramm- Ermittlung von Anregungsfrequenz, Schaufelmode und IBPA- VergleichoArbeitseintrag durch Rotoranregungo aufgezehrte Schwingungsenergie durch aerodyn. DämpfungBerechnung der maximal auftretenden  Schwingungsamplituden als Basis für weitere strukturmechanische Analysen> Werkstoff Kolloquium > Kocian > 03.12.2013www.DLR.de  •  Folie 16Quelle: M. BlocherMaterialkombination für optimale Funktionalität> Werkstoff Kolloquium > Kocian > 03.12.2013www.DLR.de  •  Folie 17• Materialkombinationen essenziell für Krafteinleitung und  z.B. Erosionsschutz• Ursprüngliche CRISP Krafteinleitung muss angepasst werden wegen aerodynamischer Formgebung des BlattesInterface muss in die integrale Auslegung und Bewertung mit einbezogen werden> Werkstoff Kolloquium > Kocian > 03.12.2013www.DLR.de  •  Folie 18Kohäsivzonenelemente• Numerische Beschreibung des Interfaces mittels Kohäsivzonenelementen• Belastungs-Separations-Beziehung → Delaminationsverhalten bei  quasistatischer Belastung und zyklischer Belastung • in Abhängigkeit von der Orientierung der Fasern im CFK-Laminat• In Abhängigkeit vom Mode-Mix der BeanspruchungModellierung am Beispiel eines hybriden FanblattesCFKTitanMaterial-InterfaceModellierung des Interfaces > Werkstoff Kolloquium > Kocian > 03.12.2013www.DLR.de  •  Folie 19Für beliebige Mixed-Mode BeanspruchungenLast-Verformungsverhalten(bilinearer Ansatz)Beispielhafte  Ermittlung der kritischen Energiefreisetzungsrate Gcfür unterschiedliche Mixed-ModesQuelle: P. NaghipourSchädigungs-InitiierungElastischerBereichTδ• Reduzierung der Steifigkeit der Kohäsivelemente durch Schädigung (Delamination) • Implementierung in FE-Software als  User Defined Finite Element• Experimentelle Ermittlung der kritischen Energiefreisetzungsrate für verschiedene Mode-MixitiesModellierung des Interfaces > Werkstoff Kolloquium > Kocian > 03.12.2013www.DLR.de  •  Folie 20Probe: CFK- und Metall-LagenBreite = 25 mm, Länge = 150 mm, Dicke = 3 – 5 mmAnfangs-Delaminationsriss: a0 = 50 mmÜberlagerung von Mode I + Mode II -cP (applied load)-P-aBerechnung der Energiefreisetzungsraten: GI, GII, mode I und IIMessgrößen: Last P und Verschiebung des Lastangriffspunktes δ;Anfangsrisslänge aModellierung des Interfaces Quelle: P. Naghipour> Werkstoff Kolloquium > Kocian > 03.12.2013www.DLR.de  •  Folie 21Entwicklung eines effizienten Material InterfacesProblem: Alterungsbeständigkeit!Ausgangspunkt: Hohe Materialfestigkeiten bei der Fügung von CF-PEEK und Titan> Werkstoff Kolloquium > Kocian > 03.12.2013www.DLR.de  •  Folie 22Entwicklung eines effizienten Material Interfaces• Angestrebte Materialkombination Titan – CF-PEEK• Entwicklung des Interfaces auf des Basis der Fügung vonTi-3Al-2,5V mittels PEEK • Zugscherproben und –prüfung in Anlehnung an DIN EN 1465 Prüfung im Ausgangszustand (ungealtert)  Prüfung nach Auslagerung in H2O bei 80°CQuelle: K. Schulzephysikalische Vorbehandlungelektrochemische Vorbehandlungchemische Vorbehandlung> Werkstoff Kolloquium > Kocian > 03.12.2013www.DLR.de  •  Folie 23Entwicklung eines effizienten Material InterfacesOberflächenvorbehandlung Nd:YAG-Laser in UmgebungsluftREM-Aufnahme:Näpfchenstruktur (Näpfchen und umlaufende Ränder), Schmelz-spritzerTEM-Aufnahme:Mikrostruktur auf gesamter makrostrukturierter Oberfläche OxidstrukturWEZTEM-Aufnahme:Kolumnare Oxidstrukturµm nmLängenskalaQuelle: K. Schulze> Werkstoff Kolloquium > Kocian > 03.12.2013www.DLR.de  •  Folie 24Kolumnare Oxidstruktur Durchmesser: 0,1-0,2 µm  TiO Kern mit TiO2 bedecktKapillare Zwischenräume1-2 µm0,5-1 µmEntwicklung eines effizienten Material InterfacesOberflächenvorbehandlung Nd:YAG-Laser in Umgebungsluft• Mechanische Adhäsion auf verschiedenen Längenskalen durch  Hinterschneidungen der Näpfchenstruktur Kapillare Zwischenräume der kolumnaren Oxidstruktur • Gutes Benetzungsverhalten (Kapillarwirkung) OxidstrukturTEM-Aufnahme:Kolumnare OxidstrukturQuelle: K. SchulzeZusammenfassung- Werkstoffthemen sind eingebettet in ganzheitliche Betrachtungsweisen –das DLR bietet hier eine einzigartige Forschungs- und Entwicklungsplattform- Enge Koppelung zur Anwendung ermöglicht schnelle Identifikation von Entwicklungs- und Forschungsbedarf- Optimierungspotenziale sind vor allem durch Interdisziplinarität gegeben und werden auch so genutzt- Die Vielzahl der Einflussparameter, besonders bei hybriden Strukturen, werden uns auch in der Zukunft speziell im Werkstoffbereich beschäftigen, um weitere Potenziale zu erschließen > Werkstoff Kolloquium > Kocian > 03.12.2013www.DLR.de  •  Folie 25www.DLR.de  •  Folie 26 > Werkstoff Kolloquium > Kocian > 03.12.2013Vielen Dankfür Ihre Aufmerksamkeit!KontaktInstitut für Bauweisen- und KonstruktionsforschungPfaffenwaldring 38 – 4070569 StuttgartDipl.-Ing. Frank Kocian+49 (0)711 / 6862 - 664

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