Entwicklung in Luft- und Raumfahrt

In der Luft- und Raumfahrt werden an Bauteile aus leichten und hochstabilen Materialien strenge Qualitätsanforderungen gestellt. Um die Sicherheit zu erhöhen und gleichzeitig den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren, benötigen Entwickler und Testingenieure eine effiziente und präzise Messtechnik. Optomet Laser Doppler Vibrometer messen ohne das aufwendige Anbringen von Sensoren berührungslos, rückwirkungsfrei und zuverlässig auch unter schwierigen Bedingungen.

Turbinenschaufeln – Sicherheit, Lebensdauer & Effizienz

Turbinen-Strahltriebwerke sind ein unersetzlicher technischer Bestandteil der modernen Luftfahrt geworden. Weiterentwicklungen haben stets eine Verbesserung der Flugsicherheit, der Turbineneffizienz, des gesamten Betriebsverhaltens und eine Verringerung der Geräuschemission im Blick.

Einer der wichtigsten Bestandteile des Turbinen-Strahltriebwerks ist die einzelne Turbinenschaufel. Das Verhalten einer Turbinenschaufel unter verschiedenen Belastungsstufen und bei verschiedenen Temperaturen beeinflusst das gesamte Triebwerksverhalten.

Eine Methode, die Ermüdungslebensdauer einer Schaufel besser einzuschätzen, sind „Low Cycle Fatigue“ (LCF) Messverfahren, bei denen die Turbine vor und nach wiederholten zyklischen Belastungen untersucht werden. Die Ermüdung aufgrund thermischer Last wird durch „Thermomechnical Fatigue“-Methoden (TMF) bei Temperaturen von bis zu 1000°C genauer untersucht. Modellberechnungen der Schaufelgeometrie dienen der Optimierung von Dämpfungseigenschaften und Strömungsverhalten, sowie der Unterdrückung von unerwünschten Resonanzen.

Optomet Laser Doppler Vibrometer bieten die Möglichkeit, die Betriebsschwingungen der Schaufeln vor, nach und während Belastungs- und Erhitzungsphasen mit einem kontaktlosen Verfahren exakt zu vermessen. Die Kenntnis der Schwingeigenschaften erlaubt die Bestimmung von Modalparametern und die Validierung von Modellvorhersagen. Die Veränderung der Eigenschaften unter verschiedenen Belastungsmethoden lässt eine Aussage über die erwartete Lebensdauer der Turbine unter reellen Betriebsbedingungen zu. Die Ergebnisse haben daher Bedeutung für die Festlegung von Wartungszyklen von Turbinen und die Abschätzung der möglichen Lebensdauer von Turbinen unter Überlast, etwa wenn bei Ausfall eines Flugzeugtriebwerkes die verbleibende Turbine zum Ausgleich weit über Normlast betrieben werden muss.

Besonderen Mehrwert für dieses Verfahren liefern scannende Vibrometer-Systeme, da diese eine schnelle und einfache Charakterisierung der Betriebsschwingformen über die gesamte Schaufeloberfläche ermöglichen.

Aufgrund der hohen Signalstärke und -qualität von Optomet Laser Doppler Vibrometern ist eine spezielle Behandlung oder Vorbereitung von Messoberflächen nicht mehr nötig. Selbst auf glühenden und schlecht reflektierenden Objekten lassen sich Schwingungsparameter präzise messen.

Nietverbindungen prüfen

Mit der stetigen Zunahme des Flugverkehrs wächst der Bedarf an schnellen und zuverlässigen Inspektionsmethoden, die die Integrität der Materialverbindungen überprüfen. Auch wenn Klebeverbindungen immer beliebter werden, machen Nietverbindungen immer noch die Mehrheit der Verbindungen in Flugzeugen aus. Die heutigen Standardprüfvorschriften erfordern die Sichtprüfung von Nieten durch zertifiziertes Personal. Diese Inspektionen sind zeitaufwändig, fehleranfällig und frühe Stadien von Fehlern werden normalerweise nicht erkannt.

Daher besteht ein großes Interesse an modernen Ansätzen, die eine zuverlässige und standardisierte Inspektion von Nietverbindungen ermöglichen und zugleich die Standzeiten von Fluggeräten verkürzen.

Optomet Scanning Laser Doppler Vibrometer (SLDV) ermöglichen eine kontaktlose, zuverlässige und vor allem objektive Früherkennung loser Nieten. Wird das entsprechende, mit Nieten verbundene, Flugzeugteil breitbandig in Schwingung versetzt, können SLDV das vollständige Schwingverhalten dessen Oberfläche innerhalb des angeregten Frequenzspektrums erfassen und analysieren. Eine Kartierung der zu inspizierenden Bereiche um die Nietverbindungen mit geeigneten Auswertungen liefert aussagekräftige Informationen zum Zustand der Nieten, so etwa die mittlere Amplitude der Schwingungen, die Kohärenzverteilung der Messdaten oder die Frequenz-Übertragungsfunktionen zwischen verschiedenen Punkten auf der Oberfläche.

Eine signifikante Abweichung dieser Größen an eng lokalisierten Positionen im Vergleich zur restlichen Oberfläche erlaubt eine direkte Einschätzung, ob an diesen Stellen eine ermüdete Nietverbindung vorliegt, selbst dann, wenn die Nietverbindung optisch nicht einmal erkennbar ist. Das Ausmaß der Abweichung lässt auch eine Aussage zum Grad der Ermüdung der Nietverbindung zu und damit auch eine Entscheidung, ob diese Niete sofort zu ersetzen ist, oder ob die Verbindung für den weiteren Betrieb noch eine ausreichende Festigkeit besitzt und ein Austausch während einer vorab geplanten ordentlichen Wartung stattfinden kann.

Flugzeugtragflächen

Im Flugbetrieb bei hohen Geschwindigkeiten sind die Tragflächen erheblichen Schwingungen und Verformungen ausgesetzt. Letztere können einige bis einige hundert Millimeter betragen, während sich die Schwingungsamplituden über einen Bereich von Nanometern bis hin zu mehreren hundert Mikrometern erstrecken.

Kein herkömmliches Messinstrument ist in der Lage einen derartigen Messbereich von mehr als 160 dB in einer einzelnen Messung zu erfassen. Mit dem Optomet Nova Sense in Verbindung mit der OptoGUI Software ist es erstmals möglich, die Verformungen und Schwingungen gleichzeitig zu messen mit einem Dynamikumfang von mehr als 220 dB. Die außerordentliche Leistungsfähigkeit des Optomet Nova Sense wurde durch Messungen an Tragflächenmodellen im Windkanal bestätigt.

Kontaktlose Schwingungsmessung einer Turbinenschaufel

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