Vorhersage von Life Cycle Verhalten eines HD Verdichters
Projektleiter: | Prof. Dr.-Ing. Konrad Vogeler |
Finanzierung: | BMFT, Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG |
Laufzeit: | 07/04 - 12/07 |
Luftfahrtforschungsprogramm 2003-2007
Ziel dieses Vorhabens ist, einen ersten Beitrag zu leisten für die Schadens- und damit Restlebensdauervorhersage einer Komponente in einem Flugtriebwerk mit einem erweiterten, den Betrieb realistischer nachvollziehenden Ansatz. Das Vorhaben steht in engem Zusammenhang mit den Arbeiten zum Projekt OPTIFER bei Prof. S. Staudacher an der Universität Stuttgart. In OPTIFER wurden Leistung und Wirkungsgrad eines Flugtriebwerks in zwei grundsätzli-chen Abhängigkeiten formuliert. Für die Analyse wurde eine begrenzte Auswahl von Komponenten und Designeigenschaften so getroffen, dass die entscheidenden Einflüsse auf das Leistungsverhalten eines Triebwerks berücksichtigt sind. Das sind u.a. die Verdichter- und Turbinenbeschaufelung, Dichtungen im Sekundärluftsystem und die auf das thermische Ausdehnungsverhalten der Maschine Einfluss nehmenden Bauteile. Ausgangspunkt war eine sorgfältige Validierung der Leistungsrechnung für das Triebwerk BR710 im nominalen Betriebspunkt. Darauf aufsetzend wurde diesen Komponenten eine angenommene, fertigungstoleranzbedingte Streuung ihrer Eigenschaften im Neuzustand zugeordnet. Die mit diesen Streuungen der Komponenteneigenschaften durchgeführte probabilistische Simulation konnte das Verhalten der Triebwerke beim Abnahmeversuch (Pass Off) erklären. Im nächsten Schritt wurden für diese Komponenten über der Betriebszeit die für die Leistung des Triebwerks wesentlichen Schädigungsmechanismen definiert (z.B. Rauhigkeit von Schaufeloberflächen). Für jede Komponente wurden diese Schädigungen in Abhängigkeit gebracht auf den Einfluss der jeweiligen Komponente auf die Leistung des Triebwerks. Anschließend wurde diesen Schädigungsfunktionen, wie den Neuteilen, eine Streuung zugeordnet, die den unterschiedlichen Betrieb in der Flotte beschreiben soll. Wie für die Abnahmeversuche gelingt es mit diesem Modell das Verhalten der Triebwerke in einer großen Flotte mit den unterschiedlichsten Betriebsweisen im nach herein statistisch global zu erklären.
Da alle Alterungen nur mit ihrem Einfluss auf die Leistung des Triebwerks in das Modell eingehen, fehlen Aussagen für ein spezifisch betriebenes Triebwerk in der Flotte zur Vorhersage der Lebensdauer von kritischen Komponenten. Hier setzen die vorgeschlagenen Arbeiten an der TU Dresden bei Prof. K. Vogeler ein.
Ähnlich wie in Stuttgart zur Leistungsbeurteilung von ganzen Triebwerken sind in Dresden im Rahmen von AG Turbo in der Vergangenheit umfangreiche Arbeiten zur probabilistischen Lebensdaueranalyse von einzelnen Komponenten in Gasturbinenanlagen durchgeführt worden.
Dazu wurden Annnahmen zur Streuung von Geometrie und Materialdaten im Neuzustand getroffen, diese wurden dann als konstant angenommen und in eine probabilistische Analyse der Lebensdauervorhersage von Gasturbinenschaufeln eingebracht [4, 5, 6, 7]. Schon ohne dass dieses Verfahren an Bauteilen aus einer laufenden Flotte von Gasturbinen validiert werden konnte, sind die Ergebnisse sehr viel versprechend. Sie zeigen die in der Realität beobachtete Streuung von Kriech- und Zyklenlebensdauer sehr gut. Die Ergebnisse können weiterhin daraufhin analysiert werden, welche Parameter Einfluss auf die betrachteten Lebensdauerphänomene haben und können so dazu dienen, die Komponente besser zu verstehen und sie zielgerichtet im Sinne von „Robustes Design“ zu optimieren.
Es ist beabsichtigt die Schädigungsfunktionen aus OPTIFER mit alternden Materialdaten und Geometrien zu korrelieren. Mit Hilfe der ebenfalls aus OPTIFER stammenden, die Bauteillebensdauer bestimmenden Randbedingungen wird es möglich, die Einflüsse der probabilistischen Lebensdaueranalyse vom Neuteil bis hin zu den Komponenten mit hohen Betriebsstunden physikalisch begründet zu vervollständigen. Es wird erwartet, dass die Kombination der beiden Methoden aus Stuttgart und Dresden es möglich macht, das Lebensdauerverhalten von Triebwerkskomponenten für die erwarteten unterschiedliche Betriebsweisen wesentlich realistischer vorherzusagen. Es wird weiterhin erwartet, dass es möglich wird, bei bekanntem Betrieb in der Vergangenheit Aussagen über die erwartete Restlebensdauer zu machen.