Schädigungs- und flugleistungsorientierte Optimierung der Leistungsstufen ziviler Flugtriebwerke

Moderne zivile Triebwerke werden vollständig elektronisch geregelt. Das Ziel der Triebwerksregelung ist, zu jedem Zeitpunkt den vom Piloten mittels des Schubhebels geforderten Schub zur Verfügung zu stellen. In der elektronischen Regelungseinheit sind zu diesem Zweck Regelungstabellen, sogenannte Leistungsstufen, hinterlegt. Die Leistungsstufen definieren für jede mögliche Kombination aus Anforderungen einen Wert für den Nettoschub.

Die Auslegung der Leistungsstufen stellt ein komplexes Problem dar, da mehrere Zielgrößen berücksichtigt werden müssen, die nicht gleichzeitig optimiert werden können. Zusätzlich müssen behördliche Anforderungen für einen sicheren Triebwerksbetrieb erfüllt werden. Im Zuge des Auslegungsprozesses findet jedoch keine genauere Untersuchung statt, welchen Einfluss die definierten Leistungsstufen auf die zu erwartende Lebensdauer verschiedener Triebwerksbauteile haben.

Gleichzeitig folgt aus den Anforderungen des Flugzeugentwurfs ein Auslegungsspielraum, innerhalb dessen eine Optimierung der Leistungsstufen hinsichtlich der Triebwerkslebensdauer möglich ist. Um dies numerisch zu untersuchen, werden die Steigflug-Leistungsstufen eines Referenztriebwerks innerhalb existierender Leistungsmargen verändert. Bei gleichbleibender Triebwerksnutzung, welche über ein einheitliches Flugprofil sichergestellt wird, stellt sich somit eine veränderte Flugleistung und Triebwerksschädigung ein. Letztere wird für die Schädigungsmechanismen niederzyklische Ermüdung, Kriechen und Oxidation am Beispiel der ersten Turbinenstufe berechnet.

Im Vergleich zum Stand der Technik der Auslegung steigern die optimierten Ansätze die Bauteillebensdauer. Die Steigzeit, welche als maßgebliche Kontrollgröße der Flugleistung dient, wird dabei nicht erhöht. Zusätzlich wird zwischen Steigzeit und Lebensdauer eine Austauschbeziehung ermittelt, welche durch eine Pareto-Front definiert ist.