Innovative Wärmetauscher für Flugmotoren

Luft-Öl-Wärmetauscher sind ein integraler Bestandteil in Entwürfen zu fortschrittlichen Turbofan-Triebwerken. Indem die Öl- und Treibstofftemperaturen innerhalb definierter Grenzen gehalten werden, trägt der Oberflächenkühler dazu bei, dass eine optimale Motorleistung erzielt werden kann. An der Oberfläche des Wärmetauschers vorbeiströmende Luft kühlt Öl und Kraftstoff ab.

Die derzeitigen Oberflächenkühler stören allerdings den Motor und belegen Flächen, die zur Verringerung des Motorlärms dienen. Infolgedessen ist deren Gewicht, Größe und Effizienz ein entscheidender Faktor.

Im Rahmen des EU-geförderten Projekts „Surface heat exchangers for aero-engines“ (SHEFAE) widmen sich Wissenschaftler dem Entwurf und der Herstellung eines metallischen Oberflächenkühlers, der einen Teil der Kernverkleidungsstruktur ersetzen soll. Unter Berücksichtigung bestehender aerodynamischer Strukturen werden räumliche Hindernisse beseitigt und eine bessere Wärmeableitung ermöglicht. Gewichtsarme Oberflächenkühler, die an der Verkleidung befestigt sind, führen außerdem zu einer höheren Stromerzeugungseffizienz und einem geringeren Treibstoffverbrauch.

Die Verwendung von Verbundstoffen für die Verkleidungsstruktur ermöglicht weitere Gewichtseinsparungen. Die Forschung an Verbundstoffen, Herstellungstechniken und dem strukturellen Design von Oberflächenkühlern beinhaltet Herausforderungen im Zusammenhang mit der Wärmeableitung, -dichtung und -verbindung.

Nach der Entwicklung wird der Kühler als Bestandteil eines Wärmemanagementsystems in einem Demonstrationsmotor installiert und an diesem getestet. Die Projektmitglieder haben einen Entwurf für die Anforderungen des strukturellen Oberflächenkühlers im Hinblick auf die Ölkühlung, den Öldruckabfall und die Enteisung entwickelt. Eine vorläufige und eine kritische Planungsprüfung wurden abgeschlossen. Anhand dreier neu entwickelter Testanlagen wird das Komponentendesign validiert.

Das Team entwarf außerdem Spezifikationen für die Verbundstoffbefestigungsstruktur (Mount Composite Structure, MCS) und untersuchte mögliche geometrische Designs, die eine geeignete Steiffestigkeit bei geringem Gewicht ermöglichen könnten. Im Fokus standen faserverstärkte Verbundstoffe sowie deren Herstellung für die MCS. Das Team führte experimentelle Tests an Laminatverbundstoffen durch, um die wichtigsten Fehlermechanismen zu bestimmten und um die neu entwickeln Modelle für Verbundstoffschraubenverbindungen zu validieren.

Das SHEFAE-Projekt leistet einen Beitrag zur Erreichung der ehrgeizigen Ziele der European Vision for Aviation 2050, um den Anforderungen von Gesellschaft und Markt gerecht werden zu können. Das Projekt stärkt ferner die Beziehungen zwischen europäischen und japanischen Partnern im Bereich der Forschung und Technologie sowie zwischen europäischen und japanischen Industrien.