50 Jahre im Dienste Deutschlands - MTU Aero Engines

Technik + Wissenschaft
Intelligente Winzlinge
Nicole Geffert
Im Antrieb der Zukunft steckt Intelligenz auf engstem Raum: Micro
Electro Mechanical Systems (MEMS) heißen die stark miniaturisierten
Systeme, die elektronische und mechanische Bestandteile vereinen.
Im Einsatz dieser Mikrosysteme sehen Experten der MTU Aero
Engines großes Potenzial, Triebwerkskomponenten, insbesondere
Verdichter, weiter zu optimieren. Im „Smart Compressor“ soll durch
aktive Strömungsbeeinflussung unter anderem der Wirkungsgrad verbessert
werden.
Verdichter der heutigen Generation sind für
bestimmte Drehzahlen ausgelegt und für
häufig auftretende Betriebszustände, zum
Beispiel den Reiseflug, optimiert. „Damit der
Verdichter auch in Lastbereichen außerhalb
des Auslegungspunktes, etwa bei schnellen
Schubänderungen in Teillast, einwandfrei
funktioniert, müssen die Konstrukteure derzeit
noch Kompromisse bei Wirkungsgrad
und Gewicht in Kauf nehmen“, erklärt MTU-
Ingenieur Hugo Pfoertner, Referent Triebwerksüberwachung
im Center Entwicklung
und Werkstoffe.
Die MTU-Spezialisten haben es sich deshalb
zum Ziel gesetzt, den Betriebsbereich der
Verdichter-Beschaufelung so zu erweitern,
dass auf derartige Kompromisse künftig verzichtet
werden kann. Ein möglicher Ansatz:
Mikrosysteme werden auf der Schaufeloberfläche
platziert, um die Strömung im
Verdichter aktiv zu beeinflussen. Im Idealfall
könnte der Einsatz von MEMS im Triebwerk
der Zukunft einzelne Schaufeln oder sogar
komplette Verdichterstufen überflüssig
machen. Für den Kunden hätte das einen
entscheidenden Vorteil: weniger Gewicht
und damit geringerer Kraftstoffverbrauch.
Um diese Vision Realität werden zu lassen,
arbeiten die Spezialisten der MTU unter
anderem im europäischen ADVACT-Programm,
in dem Potenziale fortschrittlicher
Aktuatorik in Triebwerken untersucht werden.
ADVACT gehört zum 6. EU-Forschungsrahmenprogramm
und ist in einzelne Arbeitspakete
aufgeteilt. „Die MTU übernimmt eine
führende Rolle in der Anwendung der
Mikrosystemtechnik in Triebwerken und leitet
das MEMS-Arbeitspaket, in dem auch die
Triebwerkshersteller Snecma Moteurs und
Rolls-Royce sowie Forschungseinrichtungen
und Hochschulen mitwirken“, so Dr. Sven-
Jürgen Hiller, Projektleiter und Entwicklungsingenieur
im Center Entwicklung und Werkstoffe.
Gemeinsames Ziel der Partner: Bis
2007 sollen Labormuster von mit MEMS
bestückten Schaufeln im Windkanal getestet
werden.
Dr. Frank Grauer, Technologie-Programmleiter
Triebwerkssysteme im Center Entwicklung
und Werkstoffe der MTU, beschreibt einen
der innovativen Lösungsansätze: „Teile der
Schaufel enthalten miniaturisierte Einrichtungen,
die mittels erzwungener Schwingungen
dünner Membranen pulsierende Luft-
Intelligente Lösung zur Lärmreduktion: Ein aktiver
Stator mit Membran, die elektronisch angesteuert
wird und Gegenschall erzeugt.
ströme erzeugen und so gezielt die Strömungsverhältnisse
an der Schaufel beeinflussen.“
Was sich simpel anhört, ist in der
Umsetzung äußerst kompliziert. So müssen
die Ingenieure vorab eine Reihe von Fragen
klären. Zum Beispiel, ob jede oder nur einzelne
Schaufeln mit MEMS bestückt, an welcher
Stelle die MEMS platziert und mit welcher
Frequenz sie angesteuert werden müssen.
Außerdem sollen zusätzlich zu den Stellgliedern
(Aktuatoren), die entsprechende Eingriffe
ermöglichen, auch Sensoren, die eine
Strömungsinstabilität frühzeitig erkennen, in
den Verdichter integriert werden.
„Beides gibt es bereits in konventioneller
Bauweise, vor allem die Aktuatoren sind aber
noch viel zu groß“, erläutert Grauer. „Die
Miniaturisierung erlaubt dagegen Eingriffe direkt
an der Quelle der Strömungsinstabilität,
ohne die globalen Strömungsverhältnisse zu
beeinträchtigen.“ Besonders zu schaffen
machen den intelligenten Winzlingen noch
die extremen Randbedingungen in einem
Triebwerk, zum Beispiel die hohen Temperaturen.
Die MEMS für höhere Temperaturbereiche
werden aus Siliziumcarbid hergestellt
und können Temperaturen bis zu 550
Grad Celsius standhalten. „Deshalb müssen
wir uns derzeit mit den MEMS-Applikationen
im vorderen Bereich des Verdichters bewegen,
wo es noch nicht so heiß ist“, ergänzt
Grauer.
� Spritzgegossene Teile einer Mikroturbine aus Zirkoniumoxid:
Düsenplatte, Gehäuse, Welle, Rotor und Zahnrad
- hier im Größenvergleich zu einer Büroklammer.
Mikroventile in MEMS-Technologie werden schichtweise aufgebaut. Dieses Mikroventil dient zur aktiven
Strömungsbeeinflussung. Der Pfeil zeigt die Strömungsrichtung.
Die Integration von Sensorik, Mikro-Computern
und Aktuatorik auf engstem Raum eröffnet
noch weitere Möglichkeiten. So forschen
die MTU-Experten an neuartigen Regelungsund
Überwachungsmethoden. „Eine weitere
Anwendung für MEMS sehen wir in intelligenten
Monitoring-Systemen, mit denen sich
schon kleinste Schäden im Triebwerk frühzeitig
lokalisieren und bewerten lassen“, sagt
Heinz-Werner Seibel, Systemingenieur Regelung,
Überwachung und Geräte im Center
Erprobung/Regelung. Mittels der ausgeklügelten
Elektronik ließen sich darüber hinaus
Prinzip „Active Flow Control“ durch „Zero Flow Device“
Referenz-Sensor Fehler-Sensor
Aktuator
20 REPORT REPORT 21
U∞
kritische Betriebszustände im Triebwerk
erkennen und vermeiden – mit dem Ziel,
die Lebensdauer der Bauteile zu erhöhen,
Instandhaltungsintervalle zu verlängern
und damit Fly-by-hour-Konzepte zu unterstützen.
analog/
digital
Für nähere Informationen steht Ihnen
Dr. Frank Grauer gerne zur Verfügung:
+49 89 1489-6156
Weitere Informationen finden Sie im
Internet unter www.mtu.de/report
MEMS ermöglichen die Integration von Sensorik und Aktuatorik zur aktiven Strömungskontrolle
– hier am Beispiel einer Tragfläche.
V I
digital/
analog
analog/
digital
Digitaler Signal Prozessor
LMS-adaptive FIR-Filter