Optimierung eines Turbinengehäuses an der Universität von Padua

Das „Marboré”-Projekt des Maschinenbau-Instituts der Universität Padua hat das Ziel, Luft- und Raumfahrtstudenten ein Flugzeug-Triebwerk als Demonstrationsobjekt für Test- und Forschungszwecke zur Verfügung zu stellen. Dabei sollen die Leistung von Jet-Triebwerken unter Einhaltung strengerer Bestimmungen zur Reduktion von Emissionen erhöht und der Treibstoffverbrauch reduziert werden.

Hierzu konnte die Universität den Studenten von einem abgestürzten Flugzeug ein Marboré VI-C-Triebwerk beschaffen. Bei dem Aufprall waren sowohl der Propeller als auch insbesondere die Frontregion, wo der Kompressor sitzt, schwer beschädigt worden. Das Projekt der Studenten umfasste die komplette CAD-Modellierung des Triebwerks sowie die Umkonstruktion der beschädigten Teile.

Ende 2007 war der Rotor fertig. Das Gehäuse für die Ansaugseite, ursprünglich in einer Magnesium-Legierung gefertigt, wurde zunächst nicht neu konstruiert, da hierzu spezielles gießtechnisches Wissen erforderlich war. Für dieses Teil wurde daher ein spezielles Projekt durchgeführt, um den gesamten Gießprozess zu planen und zu realisieren.

Zunächst wurde eine detaillierte CAD-Modellierung durchgeführt. Danach konzentrierten sich die Studenten auf die Auslegung des Gießsystems. Nach einem ersten CAD-Entwurf des Gießsystems wurde MAGMASOFT® zur Überprüfung und Optimierung des Gießprozesses eingesetzt. Eine Reihe von Simulationen half, das Modell zu optimieren und einen qualitativ hochwertigen Prototypen ohne Zeitverlust und ohne ausführliche praktische Versuche zu realisieren. Zunächst wurden Simulationsberechnungen erstellt, um zwischen verschiedenen grundlegenden gießtechnischen Konzepten, die sich hinsichtlich der Kühlung und der Filterpositionen unterschieden, zu entscheiden.

In der ersten Variante waren eine zentrale gusseiserne Kühlkokille und drei exotherme Speiser im obersten Teil des Gussteils vorgesehen. Die Erstarrungsergebnisse bestätigten, dass diese Positionierung perfekt für die Qualität des hochbelasteten Lagerbereichs war: Tatsächlich verbesserte die sehr schnelle Kühlung die mechanischen Eigenschaften im „kritischsten“ Bereich des Gussteils. Allerdings ließen die Wärmezentren nahe der Außenoberfläche an diesen Stellen auf Speisungsprobleme schließen.

In einer zweiten Variante wurden nur exotherme Speiser im oberen Bereich genutzt. Wie in der vorherigen Variante wurden auch hier mit Hilfe der Erstarrungssimulation sowohl Vor- als auch Nachteile erkannt. Der Erstarrungsablauf war gleichmäßiger.

Doch wegen der längeren Erstarrungszeiten sagte die Simulation schlechtere mechanische Eigenschaften voraus, insbesondere im zentralen Bereich. Formfüll- und Erstarrungsergebnisse zeigten, dass die Speisungsprobleme im Vergleich zu den vorherigen Varianten deutlich reduziert werden konnten, so dass die gewünschte Qualität erreicht wurde. Der Sandguss wurde mittels SLS (Selective Laser Sintering) Rapid Prototyping Technik realisiert. Danach wurde der Abguss des Prototypen in Aluminium ausgeführt. Röntgenanalysen des Gussteils bestätigten die Fehlerfreiheit des Bauteils.

Das Projekt ermöglichte es den Studenten, sich detailliert mit der Fertigung eines komplexen Gussteils zu beschäftigen und den Weg aktiv zu begleiten, wie aus einer virtuellen CAD-Zeichnung ein reales Gussteil entsteht. Zusätzlich konnte der Nutzen virtueller Simulationswerkzeuge für die Optimierung der Fertigung aufgezeigt werden. Das Ergebnis war ein anspruchsvolles Gussteil, das ausschließlich am Bildschirm konstruiert und ausgelegt worden war.

Bild links: Temperaturverteilung am Ende der Formfüllung. Bild Mitte: Erste Variante des Gussteils mit zentralen gusseisernen Kühlkokillen und drei exothermen Speisern im obersten Teil. Bild rechts: Das Gehäuse für die Ansaugseite mit optimiertem Anguss und Anschnitt und mit zentraler gusseisernen Kühlkokille und acht Speisern.

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