LOTUSARP

Verbesserte Instandhaltung von Fanschaufeln

Die Bauteile moderner Turbofantriebwerke in Passagierflugzeugen sind extremen Bedingungen ausgesetzt. Vor allem die Schaufeln der Fanstufe sind von einem besonders hohen Verschleiß betroffen. So nutzen sich während des Betriebs die Eintrittskanten durch starke Erosion ab, die Sehnenlängen der Schaufeln verkürzen sich und der Spalt zwischen den Endkanten der Schaufeln und dem Fangehäuse vergrößert sich. Das führt direkt zum Schubverlust und Leistungsabfall bei den betroffenen Triebwerken, was letztlich einen höheren Kerosinverbrauch und steigende CO2-Emissionen zur Folge hat.

Bereits im Jahre 1994 konnte die Lufthansa Technik ein Verfahren entwickeln, bei dem abgenutzte Hochdruckverdichterschaufeln elektronisch analysiert und anschließend mit Hilfe eines ARP-Roboters (Advanced Recontouring Process) neu konturiert werden. Damit lassen sich der Kerosinverbrauch und die CO2-Emission reduzieren sowie die Lebensdauer der Bauteile deutlich verlängern. Um weitere Verbesserungen auch im Bereich der Fanschaufeln zu erzielen, bedurfte es aber noch genauerer, herstellerunabhängiger Kenntnisse über das Triebwerk als zusammenhängendes System.

In dem von Januar 2009 bis einschließlich Dezember 2011 in Kooperation mit vier Verbundpartnern (ANSYS Germany, CADFEM, DLR – Institut für Antriebstechnik und RWTH Aachen – Institut für Strahlantriebe und Turboarbeitsmaschinen) durchgeführten Forschungsprojekt LOTUSARP sollte ein genaues Verständnis der wesentlichen Einflussvariablen auf das Fan-Modul und deren Zusammenhänge entwickelt werden. Das Vorhaben wurde im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogramms IV der Bundesregierung durchgeführt und zu 50 Prozent vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie gefördert. 

Strömungs- und Strukturmechanik-Simulationen wurden durchgeführt

Mit Hilfe numerischer Strömungssimulation wurde der Einfluss unterschiedlicher Geometrieänderungen – als Folge typischer Verschleißerscheinungen ebenso wie als Folge typischer Reparaturen – an den Fanschaufeln untersucht. Damit die Verformung und damit auch deren Einfluss auf die reale Umströmung der Fanschaufel im Betrieb berücksichtigt werden konnte, wurden zum Teil gekoppelte Strömungs- und Strukturmechanik-Simulationen (Fluid-Structure-Interaction) durchgeführt. In weitergehenden numerischen Analysen wurde untersucht, welche Wechselwirkungen beim Aufbau eines Rotors aus Fanschaufeln mit verschiedenen Geometrien entstehen. Schließlich wurde eine Methodik entwickelt, die es ermöglicht, an ausgewählten Profilschnitten die bei der Reparatur aufgebrachte Vorderkantenkontur signifikant zu verbessern.

Ein weiterer Schwerpunkt der Forschungsarbeiten war die experimentelle Validierung der in den numerischen Analysen erhaltenen Ergebnisse. So wurden in einem Gitterwindkanal umfangreiche 2D-Analysen an ausgewählten Schaufelgeometrien vorgenommen. Darüber hinaus fanden am Hamburger Triebwerksprüfstand mit einer eigens entwickelten Messsonde Strömungsmessungen am Fanaustritt eines realen Triebwerks statt. Die durchweg sehr gute Übereinstimmung der Ergebnisse von Messungen und Berechnungen schafft das notwendige Vertrauen in die Qualität der numerischen Analysen.

Aus den gewonnenen Erkenntnissen über den Einfluss verschiedener Geometrien der Fanschaufeln auf das Betriebsverhalten und den Wirkungsgrad der Fanstufe lassen sich nun neue Maßnahmen zur Verlängerung der Lebensdauer der Fanschaufeln sowie zur Minderung des Kerosinverbrauchs und der CO2-Emissionen entwickeln. Zu den möglichen Maßnahmen gehören verbesserte Verfahren zur Reparatur der Schaufelprofile, insbesondere der Vorderkantenkontur (Rekonturierung). Darüber hinaus wurden Überlegungen zur Definition des optimalen Zeitpunkts für die Wartung der Fanschaufeln angestellt.

Lufthansa Technik hat den Prozess der Reparatursteuerung durch numerische Simulation bereits für Deutschland und Europa zum Patent angemeldet. Die Ergebnisse aus dem Forschungsvorhaben LOTUSARP fließen zukünftig als Grundlage in die Erarbeitung eines neuen Verfahrens zur Bewertung und Weiterentwicklung der Instandhaltungsmaßnahmen an Verdichterschaufeln in Triebwerken ein. Und auch Reparaturverfahren für andere Triebwerksmodule werden von der neuen Methodik profitieren. 

Beschreibungen zu den Farbtafeln

Ergebnisse der Strömungssimulation: Zu sehen sind die Druckverteilung in der Strömung (farblich hinterlegt) und die Stromlinien (Linien mit Pfeilen). Der Vergleich zeigt, dass der Verdichtungsstoß bei der erodierten Schaufel (obere Abbildung) stärker ausfällt (größere Flächen in rot und gelb) und dass die Strömung hinter der scharfen Kante bei der erodierten Schaufel in Bauteilnähe etwas langsamer fließt (größerer Abstand der Stromlinien). So lässt sich erklären, warum die erodierte Vorderkante zu Schubverlust und zu erhöhtem Kraftstoffverbrauch führt.