09.10.2014
FLUG REVUE

DLR-ForschungAuswirkung von Vulkanasche auf Flugzeugtriebwerke

Vulkanasche kann im Luftverkehr zu ernstzunehmenden Problemen führen. Im Rahmen des Projekts VolcATS-Vehicle (Volcanic Ash Impact on the Air Transport System) erforschen Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt die Auswirkungen von Vulkanasche auf Luftfahrzeuge.

Im Fokus stehen dabei die Auswirkungen der Asche auf das Triebwerk sowie der Einfluss auf die Leistung von Luftfahrzeugen durch verschmutzte Flugdatensensoren sowie Navigations- und Kommunikationseinrichtungen. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sollen helfen, das Gefahrenpotential von Vulkanasche für Luftfahrzeuge detaillierter einzuschätzen. Die gewonnenen Daten, beispielsweise zu Schubverlusten, fließen in die Konzeption weiterer Experimente ein und werden auch für Computersimulationen verwendet, welche die Wirkung auf Triebwerkskomponenten simulieren. „Der Grenzwert für den Luftverkehr liegt derzeit bei einer Aschekonzentration von zwei beziehungsweise vier Milligramm pro Kubikmeter. Ein bedeutender Faktor ist jedoch auch die Asche-Dosis, die im Laufe eines Fluges aufgenommen wird“, sagt Dr. Hendrik Lau, Projektleiter VolcATS-Vehicle. „Wir wollen mit unseren Untersuchungen näher eingrenzen, in welchem Bereich eine für Triebwerke schädliche Aschedosis liegt."

Der Ausbruch des isländischen Vulkans Eyjafjalla im Jahr 2010 sowie ähnliche Ausbrüche rund um den Globus haben gezeigt, dass der internationale Luftverkehr bei derartigen Naturphänomenen empfindlich gestört werden kann. Die Auswirkungen der Aschepartikel auf entscheidende Komponenten eines Flugzeugs, wie Brennkammer, Verdichter und Sensorik, sind noch nicht hinreichend bekannt und müssen tiefergehend erforscht werden. Der Projektabschnitt VolcATS-Vehicle wird von den DLR-Instituten für Werkstoffforschung, Flugsystemtechnik und Antriebstechnik bearbeitet.

Vulkanasche schädigt Flugzeugtriebwerke hauptsächlich mittels der von scharfkantigen Partikeln verursachten Erosion und mit geschmolzener Asche. Das Zusetzen von Brennstoffdüsen, Kühlluftbohrungen und Turbinenströmungsquerschnitten stellt ein zusätzliches Problem dar. Bei Flügen durch Vulkanaschewolken wurde zudem von Funkunterbrechungen und Auswirkungen auf Navigationssysteme berichtet; beispielsweise wurden die für die Geschwindigkeitsmessung genutzten Pitot-Sonden mit Vulkanasche kontaminiert.

Um eine effiziente und saubere Verbrennung zu gewährleisten, herrschen in modernen Turbinen Temperaturen weit über dem Schmelzpunkt von Stahl (Flammtemperaturen von bis zu 2000 Grad Celsius und mehr). Deshalb sind thermisch besonders belastete Bauteile wie Brennkammern und Turbinenschaufeln mit einer keramischen Hitzeschutzschicht ausgestattet. Diese ist dank ihrer säulenartigen Struktur flexibel und kann sich dem temperaturbedingten Ausdehnen der darunterliegenden Metallstruktur anpassen. Vulkanasche besitzt aufgrund ihrer komplexen chemischen Zusammensetzung keinen Schmelzpunkt, sondern einen Schmelzbereich, der bereits bei 900 Grad Celsius beginnen kann. Honigartig erweicht kann sie so auf der keramischen Schutzschicht festbacken, wodurch sie der Struktur ihre Flexibilität nimmt und damit die Thermoschockbeständigkeit der Wärmedämmschicht herabsetzt. Ähnlich wie bei einem Emailletopf, bei dem die kompakte Emaille bei einer Deformation des Topfes abplatzt, platzt im Triebwerk die Wärmedämmschicht von einer Turbinenschaufel ab, die sich, je nach Flugphase, temperaturbedingt ausdehnt und zusammen zieht. Demzufolge kommen ungeschützte, metallische Oberflächen in Kontakt mit dem heißen Gasstrom und können lokal aufgeschmolzen werden. Infolge dieses lokalen Schmelzprozesses verlieren die Schaufeln ihre optimale aerodynamische Form, was zu einem Leistungsverlust sowie zu einem erhöhten Treibstoffverbrauch führt. In Extremfällen kann es zum Ausfall der Turbine kommen.

Im Projekt iVar werden in Zusammenarbeit mit dem Labor für Umweltmesstechnik der FH Düsseldorf erstmalig die Turbinenschaufeln einer Kleingasturbine mit kommerziellen, flugerprobten sowie auch zukünftigen Wärmedämmschichten versehen. In einem windkanalähnlichen Versuchsaufbau werden in die Ansaugluft der Turbine definierte Vulkanasche-Konzentrationen verteilt und dadurch Bedingungen eines Fluges der Turbine durch eine quasi-reale Aschewolke geschaffen. Dies erlaubt die Erforschung des schädigenden Einflusses von Aschepartikeln auf ein Strahltriebwerk unter möglichst realen Testbedingungen.

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flugrevue.de/Matthias Gründer



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