SPECIAL Luft- und Raumfahrt Zustandsbasierte Regeneration von komplexen Investitionsgütern Automatisierte Regeneration von Triebwerkskomponenten Aktuell erfolgt die Wartung von Flugtriebwerken auf Basis von manuellen und zeitintensiven Prozessen. Die Qualität der Regeneration ist somit im hohen Maße abhängig von der Qualifikation und Erfahrung des durchführenden Mitarbeiters. Die wissenschaftlichen Grundlagen für eine automatisierte Regeneration von Triebwerks - komponenten werden aktuell in Hannover erforscht. Die Autoren: B. Denkena, B. Bergmann, N. Nübel ■■■■■■ Bis zum Jahr 2050 soll der CO 2 -Ausstoß von Flugtriebwerken um ca. 50 % reduziert werden. Bei neuen Flugzeuggenerationen soll dieses Ziel durch den Einsatz von Leichtbau und der Entwicklung von effizienteren Triebwerken erreicht werden. Bei den aktuell eingesetzten Flugzeugflotten kann dieser Ansatz allerdings nicht genutzt werden. Aus diesem Grund ist es notwendig, dass die vorhandenen Flugzeuge so schadstoffarm wie möglich fliegen. Entscheidend dafür ist, dass die Flugtriebwerke nicht durch Verschleiß oder Be- schädigungen an Effizienz verlieren. Weiterhin müssen Flugtriebwerke über die ge - samte Nutzungsdauer hohe Prozesssicherheit aufweisen. Um dies zu gewährleisten, werden diese in regelmäßigen Abständen inspiziert und instand gesetzt. Durch die hohen Herstellungskosten für Luftfahrtteile, insbesondere für Lauf- und Leitschaufeln, ist die Instandhaltung wirtschaftlich sinnvoll. Daher werden die Komponenten nicht komplett ersetzt, sondern in unterschiedlichsten Prozessketten bauteilspezifisch regeneriert. Unterschiedliche Qualität aufgrund manueller Prozesse Aktuell werden die Regenerationspfade bzw. Maßnahmen durch eine manuelle Inspektion bestimmt. Geschulte Mitarbeiter vergleichen die Schäden mit einem Handbuch, in dem die zugelassenen Schäden und die Reparaturgrenzwerte zusammengefasst sind. An Handarbeitsplätzen werden die Schäden herauspoliert oder herausgearbeitet und wenn nötig aufgeschweißt. Mittels manueller Schleifprozesse werden die Turbinenschaufeln anschließend auf Endmaß bearbeitet und abschließend inspiziert. Aufgrund der vielen manuellen Prozesse mit den subjektiven, erfahrungsbasierten Entscheidungen ist das Ergebnis der Regeneration stark von der Qualifikation der Mitarbeiter ab- Prozesskette zur zustandsbasierten Regeneration von Hochdruck-Turbinenschaufeln. Bild: IFW 100 Oktober 2019
Symbolischer Ablauf einer Schaufelregeneration Bild: IFW hängig. Ebenso ist während der gesamten Regeneration nicht bekannt, inwiefern durch die Regeneration eine Steigerung der Leistungsfähigkeit und Lebensdauer erreicht wird. Die Leistungsfähigkeit beschreibt dabei, wie viel mechanische Energie die Turbine aus dem strömenden Fluid, also dem entzündeten Kraftstoff-Luft-Gemisch, umwandeln kann. Diese Informationen werden bei der Auswahl des Regenerationspfades in der Prozesskette berücksichtigt. Effizienterer Einsatz der Regenerationsmaßnahmen Folglich wird im Sonderforschungsbereich 871 eine zustandsbasierte Prozesskette am Beispiel der Regeneration einer Laufschaufel aufgebaut. Das bedeutet, dass vor Beginn der Regeneration die Ist-Leistungsfähigkeit und Ist-Lebensdauer ermittelt wird und hierdurch die erzielbare Leistungsfähigkeit und Lebensdauer durch die Instandhaltung prognostiziert wird. Dadurch ist ein noch zielgerichteter und effizienterer Einsatz der Regenerationsmaßnahmen möglich, da diese auf die leistungsbegrenzenden Schäden fokussiert werden können. Als Demonstrationsobjekt für diese Regeneration wird der MRO(Maintenance, Repair and Operations)-Prozess von Hochdruck-Turbinenschaufeln eines Flugtriebwerkes untersucht. Dieser ist aus vielerlei Gründen herausfordernd. Leistungsfähigkeit und Lebensdauer wird simuliert Neben den anspruchsvollen Werkstoffen entstehen zusätzliche Anforderungen an die Geometrie. Diese können allerdings nicht anhand von Toleranzen, wie z. B. im Formenbau, bewertet werden. Dies ist damit zu begründen, dass die Leistungsfähigkeit signifikant von der Position, Größe und Art des Schadens abhängig ist. Durch numerische Strömungssimulationen (Computational Fluid Dynamics „CFD“) kann die Veränderung des Volumenstromes im Triebwerk ermittelt und die Änderung der Leistungsfähigkeit daraus bestimmt werden. Der Regenerationspfad wird unter anderen aufgrund dieser Information ausgewählt. Nach der Inspektion wird die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer durch Simulationen berechnet. Dazu wird die Prozesskette in zwei Ebenen aufgeteilt, in eine reale und eine virtuelle Ebene. In der realen Ebene sind unterschiedliche Prüf-, Mess- und Fertigungstechnologien in eigenen Prozesszellen angeordnet. In der Abbildung auf Seite 101 ist der Ablauf der Regeneration exemplarisch und vereinfacht dargestellt. Zerstörungsfreie Schadensanalyse Nach einer bauteilschonenden Demontage, bei der die Schaufeln durch einen oszillierenden Stößel herausgetrieben werden, findet die Inspektion statt. Zuerst werden die Schaufeln zerstörungsfrei auf Risse überprüft. Mittels einer hochfrequenten Induktion wird anschließend ein Wirbelstromfeld in die Schaufeln eingeleitet. Dabei wird an Mahr | Integrated Wireless Exakte Ergebnisse bei voller Bewegungsfreiheit Handmessgeräte mit integriertem Funksystem Messen Sie modern und einfach – ohne sich von kabelgebundener Technik einschränken zu lassen. www.mahr.com Oktober 2019 101
