Trieb­werks­schwingungen auf dem Erreger-Rig

Mit dem Erreger-Rig ermittelt die Abteilung für Bauteilerprobung bei der MTU Aero Engines in München das Schwingungsverhalten von Verdichter- und Turbinenschaufeln lange vor dem Erstlauf des kompletten Triebwerks.

05.2015 | Autor: Achim Figgen

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Achim Figgen ist Diplom-Ingenieur der Fachrichtung Luft- und Raumfahrttechnik und stellvertretender Chefredakteur des Luftfahrtmagazins Aero International. Er hat bereits mehrere Bücher über Luftfahrtthemen verfasst.

Ein Jet-Triebwerk ist eigentlich recht simpel aufgebaut. Vorne wird Luft angesaugt, die anschließend komprimiert und mit Kerosin vermischt wird. Das Gemisch wird ge­zündet, und die Verbrennungsgase schieben das Flugzeug nach vorne. Natürlich ist das Ganze in Wirklichkeit viel komplexer, beispielsweise weil ein Großteil der verdich­teten Luft gar nicht durch die Brennkammer, sondern außen am Kerntriebwerk vorbei strömt und den Schub erzeugt.

Im Inneren des Triebwerks führen die hohen Drehzahlen zu beträchtlichen Belastungen der rotierenden Komponenten in Verdichter und Turbine. Um die Schwingbeanspruch­ung vor allem an der Verbindungsstelle zwischen Scheibe und Schaufel gering zu halten, besteht eine wichtige Kon­strukt­ionsaufgabe für die Entwicklungsingenieure darin, sicherzustellen, dass im Betriebsbereich, also bei den üblicherweise auftreten­den Drehzahlen, möglichst keine Eigenfrequenz der Schaufeln liegt. Wenn das kon­struk­tiv nicht möglich ist, kommen unter anderem Dämpfer zum Einsatz, die zwischen Schaufelfuß und Scheibe installiert werden und im Resonanzfall über Reibung Schwingungsenergie abbauen.

Deren Wirksamkeit lässt sich allerdings mit den klassischen Untersuchungen auf Komponenten­ebene nicht verifizieren, etwa auf einem Schleuderprüfstand. Damit kann man nur die Fliehkraft­belastung, die auf den Rotor und damit auf die Schaufeln wirkt, ermitteln, jedoch keine Schwingungen simulieren. Beim sogenannten „Shaker-Test“ wiederum werden einzelne Schaufeln in einen Schwingerreger gespannt und zum Vibrieren gebracht, aber eben ohne die gleichzeitige Einwirkung von Flieh­kräften. In der Vergangenheit ließ sich die Wirkung der Dämpfer deshalb nur mit Test­läufen des kompletten Trieb­werks nachweisen. Dadurch sind Bau­weisen­­variationen und lang dauernde Verschleiß­unter­suchungen extrem zeit- und kostenintensiv.

Bei der MTU Aero Engines in München hat man vor rund fünf Jahren eine Lösung für dieses Dilemma gefunden: das „Erreger-Rig“. In dieser Testvorrichtung, so erläutert Dr. Ulrich Retze aus der Abteilung für Bauteilerprobung, wird ein einzelner Rotor in Dreh­bewegung versetzt; gleichzeitig werden durch Einblasen von Luft Kräfte auf die Schaufeln aufgebracht, deren Stärke und Frequenz so eingestellt werden können, dass die Schwingungen an den Schau­feln denen in einem echten Triebwerk entsprechen. So können nun bereits in einem frühen Stadium der Entwicklung und ohne großen Umbauaufwand unterschiedliche Dämpfer getestet sowie Vergleiche mit einem nicht gedämpften System angestellt werden.

ERREGER-RIG IM EINSATZ

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Erreger-Rig auf dem Schleuderprüfstand der MTU.

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Erreger-Rig auf dem Schleuderprüfstand der MTU.

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Auf dem Erreger-Rig läuft ein einzelner Rotor (hier ein Beispielfoto), um das Schwingungs­verhalten an den Schaufeln zu untersuchen.

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Auf dem Erreger-Rig läuft ein einzelner Rotor (hier ein Beispielfoto), um das Schwingungs­verhalten an den Schaufeln zu untersuchen.

Das Erreger-Rig besteht im Wesentlichen aus dem existierenden Schleuderprüfstand, der neben der Lufteinblasung um zusätzliche Funktionalitäten erweitert wurde. Für Erfassung und Auswertung der Schwingungen kann auf bestehende Mittel zurück­gegriffen werden. Eine zentrale Rolle kommt dabei dem von der MTU in Eigenregie entwickelten „Berührungslosen Schaufel-Schwingungs-Messsystem“ (BSSM) zu, das auch bei Versuchen mit kompletten Triebwerken Verwendung findet. Vereinfacht ausgedrückt werden dabei die Zeitpunkte gemessen, an denen eine Schaufelspitze an einem bestimmten Punkt vorbeikommt. Aus den Unterschieden in den Zeitabständen lassen sich rechnerisch Rückschlüsse auf das Schwingungsverhalten ziehen.

Angesichts der offensichtlichen Vorzüge der neuen Methode verwundert es nicht, dass potenzielle Nutzer schon Schlange standen, noch bevor die Entwicklung des Erreger-Rigs vollständig abgeschlossen war. Den Anfang machte ein Auftrag der MTU Maintenance, die ein neues Reparaturverfahren für den Hochdruckverdichter des V2500-Triebwerks entwickelt hatte und dringend auf Informationen über das Ver­schleiß- und Dämpfungsverhalten verschiedener Dämpfungsdraht-Konfigurationen angewiesen war.

In der Folge konnte sich der Teststand auch bei der Entwicklung neuer Antriebe bewähren – und zwar bei der Erprobung der Niederdruckturbine der Getriebefan-Familie PW1000G von Pratt & Whitney. Die Versionen PW1500G (für Bombardiers CSeries) und PW1100G-JM (für die A320neo-Familie von Airbus) befinden sich bereits in der Flugerprobung, der Erstflug des Mitsubishi Regional Jet MRJ90 (mit PW1200G-Triebwerken) steht unmittelbar bevor.

Für Forschungsvorhaben wurde das Erreger-Rig ebenfalls bereits genutzt. Im Rahmen des europäischen „Clean Sky“-Programms (siehe unten) wird unter anderem an der Weiterentwicklung der Getriebefan-Technologie gearbeitet, und hier hat die MTU eine eigene Neuentwicklung im Bereich der Niederdruckturbine schon vor dem ersten Testlauf des Demonstrator-Triebwerks auf dem Rig untersucht.

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Unternehmen und Institute entwickeln bei Clean Sky, dem bislang größten europäischen Luftfahrtforschungsprogramm, gemeinsam technologische Verbesserungen für die Luftfahrt.

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wurde bereits das Nachfolgeprogramm „Clean Sky 2“ gestartet, das bis 2024 laufen soll und an dem sich die MTU Aero Engines als eines von 16 Lead-Unternehmen beteiligt.

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Triebwerksdemonstratoren für unterschiedliche Leistungsklassen und Marktsegmente werden im Rahmen des Clean Sky-Projekts SAGE (Sustainable and Green Aero Engines) aufgebaut und getestet. Die MTU Aero Engines verantwortet einen davon. Sein Erstlauf ist für die zweite Hälfte 2015 geplant.

Clean Sky und Clean Sky 2

Bei „Clean Sky“ handelt es sich um das umfangreichste jemals in Europa aufgelegte Forschungsprogramm zur Entwicklung neuer Technologien, die die Umweltverträglichkeit des Luftverkehrs verbessern. Teil des 2008 gestarteten Vorhabens, das noch bis 2017 läuft, sind unter anderem sechs sogenannte integrierte Technologiedemonstratoren (ITD). Im Rahmen des ITD SAGE (Sustainable and Green Engines) werden wiederum fünf Triebwerksdemonstratoren für unterschiedliche Leistungsklassen und Marktsegmente gebaut und getestet, wobei MTU Aero Engines für denjenigen verantwortlich ist, mit dem eine weiterentwickelte Getriebefan-Technologie validiert werden soll.

Mit „Clean Sky 2“ wurde 2014 bereits das Nachfolgeprogramm gestartet, das 2024 abgeschlossen sein soll und an dem sich die MTU Aero Engines als eines von 16 Lead-Unternehmen der Luftfahrtbranche beteiligt.

  • Schwerpunkt der MTU-Aktivitäten ist eine weitere Optimierung der Niederdruckturbine und des Hochdruckverdichters.
  • Kernthemen dabei sind die Entwicklung leichterer und temperaturbeständiger Werkstoffe sowie eine Verbesserung der Aerodynamik.
  • Komponenten wie Verdichter und Turbine werden nicht mehr allein für sich betrachtet, sondern als integraler Teil des Triebwerks.
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