in Kooperation mit

BSSM: Neues Messverfahren für Turbinen und Verdichter

Alternative für komplexe Triebwerkstests

7 Bilder

Die Messung der Schwingungen von Triebwerksschaufeln ist äußerst kompliziert und teuer. MTU Aero Engines hat ein berührungsloses System entwickelt, das mittelfristig das bisherige Verfahren ersetzen könnte.

Telemetrieläufe gelten seit jeher als Königsdisziplin bei der Erprobung neuer Triebwerke. Sie liefern die für die Zulassung unerlässlichen Schwingungsmessungen von Laufschaufeln in Verdichtern und Turbinen. Das Standardverfahren für die entsprechenden Tests ist der Einsatz von Dehnmessstreifen, die per Hand auf die Schaufeln aufgebracht und mittels Leitungen quer durch das Triebwerk mit der Sendeeinheit der Telemetrie verbunden werden müssen. Entsprechend aufwändig, langwierig und teuer sind die Versuchsreihen.

Auf den Verdichterprüfständen der MTU Aero Engines kommt nun ein System zum Einsatz, das auf die Dehnmessstreifen verzichten kann, da es ohne physischen Kontakt mit den Schaufeln arbeitet (Berüh-rungsloses Schaufelschwingungs-Messsystem, BSSM). Dabei setzen die Ingenieure maximal sieben Sonden pro Rotorstufe in zuvor gebohrte Löcher in das Gehäuse ein. Jedes Mal, wenn eine Schaufel unter einer dieser Sonden vorbeiläuft, entsteht ein Signal. Geraten die Schaufeln ins Schwingen kommen je nach der momentanen Auslenkung etwas früher oder später an den Sonden vorbei. Diese zeitlichen Verschiebungen werden analysiert und liefern somit die Schwingamplituden und die Schwingfrequenzen aller Schaufeln, während mit den Dehnmessstreifen nur ein Teil der Schaufeln, typischerweise 15 pro Stufe, erfasst werden.

Bei BSSM-C (für „Compressor“/Verdichter) handelt es sich um ein sogenanntes kapazitives System, wie Dr. Michael Zielinski, Referent Sondermesstechnik bei der MTU, erläutert. "Grundsätzlich stellt die Sonde zusammen mit den Schaufeln einen Kondensator dar. Wenn gerade keine Schaufel im Bereich der Sonde ist, also im Bereich der Schaufellücke, hat man große Abstände zwischen den Platten des Kondensators, demnach eine kleine Kapazität. Läuft die Schaufelspitze unter der Sonde durch, gibt es einen kleinen Abstand und damit eine große Kapazität. Diese sich ständig ändernde Kapazität des Kondensators führt zu einem Stromfluss und letztendlich zu einem elektrischen Signal." Dieses wird über eine Analog/Digital-Wandlerkarte in einen Rechner eingespeist und mit Hilfe einer ausgeklügelten Software analysiert. Da die Schaufelspitzen bei maximaler Drehzahl mit einer Geschwindigkeit von bis zu 500 Metern pro Sekunde an den Sonden vorbeikommen, ist eine genaue Zeitmessung unerlässlich.

Flugversuche für das A400M-Triebwerk

Beim BSSM-Verfahren messen Sonden, wann eine Schaufel durchläuft. Anhand der Ergebnisse lassen sich die Schaufelschwingungen messen. Foto und Copyright: MTU Aero Engines

Außerdem lässt sich anhand der Höhe der Signale der Spalt zwischen der Schaufelspitze und dem Gehäuse messen, der für den Wirkungsgrad des Verdichters und damit des gesamten Triebwerks enorm wichtig ist. Der Messbereich der Sonden liegt hier bei ungefähr 0,2 bis 2,5 Millimetern. Die Sonden selbst sind mit einem Durchmesser von sechs Millimetern und einer Länge von rund neun Millimetern ebenfalls recht klein. "Zudem sind sie bis zu einer Temperatur von 700 Grad Celsius einsetzbar, so dass wir keine Kühlung benötigen", sagt Dr. Zielinski.

Ein weiterer Vorteil ist die Echtzeitüberwachung, denn bei den Komponentenversuchen wird auch der Extrembereich des Verdichters ausgelotet. "Man fährt durchaus bewusst in Bereiche, in denen sehr kritische Situationen auftreten können. Dazu braucht man eine Echtzeitanalyse, die für alle Stufen gleichzeitig erfolgt." Werden die Schwingungen zu extrem, gibt es ein Alarmsignal an das Prüfstandpersonal. Daraufhin wird der Betriebszustand geändert, um Schäden zu vermeiden.

Das Verfahren kommt aber nicht nur am Boden zum Einsatz. Bei den Flugversuchen des Europrop TP400-D6 an der Lockheed C-130 von Marshall Aerospace überwachte ein vollautomatisches BSSM-C-System an Bord der Hercules den von der MTU entwickelten Mitteldruckverdichter in Bezug auf Schwingungen. In einem Schrank waren fünf Rechner für die fünf Stufen des Verdichters untergebracht, die während der Flüge die Daten aufzeichneten. Gleichzeitig gab das System Echtzeitinformationen über das Schwingungsverhalten des Verdichters an die an Bord befindlichen Flugingenieure.

Einsatz auch bei Turbinen

Bei Verdichterversuchen wird das BSSM-Verfahren bei der MTU bereits angewandt. Foto und Copyright: MTU Aero Engines

Während das kapazitive System nur bei Verdichtern Anwendung findet, hat die MTU auch für Turbinen ein ähnliches Verfahren entwickelt. Das BSSM-T funktioniert aber nicht per kapazitiven Sonden, sondern per Lichtschranken. Bei der Niederdruckturbine liegt aus aerodynamischen und Festigkeitsgründen ein Deckband über den Schaufeln, das Messungen an den Spitzen verhindert. Dafür ragt jeweils eine Sonde vor und nach dem Rotor in den Gaskanal hinein, dabei wird ein Lichtstrahl gebildet. "Im Betrieb unterbrechen die Schaufeln den Lichtstrahl und geben ihn wieder frei. Wenn die Schaufeln schwingen, erfolgt dies früher oder später, und das lässt sich entsprechend analysieren. Eine Spaltmessung ist jedoch nicht möglich."

Das Verfahren läuft bereits in einem kompletten Triebwerk. Die aus einem Spezialwerkstoff hergestellten Sonden können ohne Kühlung eine Temperatur von 1000 Grad Celsius aushalten und besitzen damit eine höhere Lebensdauer als die Dehnmessstreifen. Für Verdichter will die MTU das optische System indes nicht nutzen: "Ein weiterer immenser Vorteil des kapazitiven Systems liegt nämlich darin, dass die Sonden weitgehend unempfindlich gegenüber Verschmutzung sind. Außerdem erzielen wir mit unserer komplett bei MTU entwickelten Software die gleiche Amplitudenauflösung wie die Konkurrenz mit optischen Sonden."
Trotz aller Fortschritte kann das BSSM-System die Dehnmessstreifen für die Triebwerkszulassung noch nicht komplett ablösen, da die Auflösung hoher Schwingmoden hierfür noch nicht ganz ausreichend ist. Dafür erfolgen nun erste Schwingungsmessungen viel früher in einem Triebwerksprogramm und sind bei der MTU auch für die Niederdruckturbine des PW1100G-JM-Antriebs des Airbus A320neo vorgesehen.

„Außerdem haben wir ein laufendes Entwicklungsprogramm mit dem Ziel, unter anderem die Auflösung noch einmal signifikant zu erhöhen, um in naher Zukunft auch hohe Schwingmoden sicher zu erfassen und damit die Dehnmessstreifen auch bei Zulassungstests zu reduzieren oder ganz zu ersetzen“, erklärt Dr. Zielinski.

FLUG REVUE Ausgabe 10/2012

Top Aktuell Messe EBACE in Genf Business Aviation: Der Trend geht zum Bio-Sprit
Beliebte Artikel Alle Fakten Airbus A320 Alle Fakten Airbus A400M
Stellenangebote Der Baden-Württembergische Luftfahrtverband stellt ein Referent für Aus- und Fortbildung, Flugsicherheit und Sport (m/w/d) gesucht OFD sucht Pilot Jetzt bewerben – Pilot gesucht! OFD sucht Pilot (m/w/d) RUAG sucht Flugzeugmechaniker Jetzt bewerben RUAG sucht Flugzeugmechaniker F/A-18 (m/w)
Anzeige