Teilprojekte
- A1 Zerstörungsfreie Turbinenschaufelcharakterisierung
- A2 Multiskalen-Geometrieerfassung von Turbinenschaufeln
- A3 Zustandsbeurteilung eines Triebwerks durch Analyse des Abgasstrahls
- A4 Einfluss von Störungen in der Brennkammer auf den Abgasstrahl
- B1 Endkonturnahe Turbinenschaufelreparatur
- B2 Geschickte Reparaturzelle
- B3 Verluste komplexer Oberflächenstrukturen
- B4 Strukturanalyse nach Regeneration
- B5 Einkristallines Laserstrahlschweißen
- C1 Simulationsbasierte Prozessauslegung spanender Rekonturierungstechnologien
- C2 Schnelle Prüfung komplexer Geometrien mittels inverser Streifenprojektion
- C3 Regenerationsbedingtes Mistuning
- C4 Aeroelastik von Turbinenschaufeln
- C5 Vorhersage von Risswachstum und Dauerfestigkeit von reparierten Bauteilen
- D1 Kapazitätsplanung und -abstimmung bei unscharfen Belastungsinformationen
- D2 Einfluss von Geometrieabweichungen auf das Kennfeld einer Turbomaschine
- D3 Auswahl effizienter Regenerationsmodi für verschiedene Kundengeschäftsmodelle
A1 Zerstörungsfreie Turbinenschaufelcharakterisierung
Zerstörungsfreie Charakterisierung von Beschichtungen und Werkstoffzuständen Hochbeanspruchter Triebwerksbauteile
Fachgebiete und Arbeitsrichtung: Maschinenbau, Werkstoffkunde, Zerstörungsfreie Prüftechnik
Teilprojektleiter / Pojektbereichsleiter
Das TP A1 hat sich als Ziel gesetzt, Prüfmethoden zu entwickeln, die eine zerstörungsfreie Integritäts- bzw. Zustandsbewertung hochbeanspruchter Bauteil-Mehrschichtsysteme, wie beispielsweise der Turbinenbeschaufelung, ermöglichen. Hierbei stellt vor allem die Charakterisierung von dünnen Schichten < 20µm eine neue Herausforderungen dar, sodass zwei unterschiedliche Ansätze verfolgt werden: Die Mehrparameter-Hochfrequenz-Wirbelstromtechnik zum empfindlichen Nachweis von lokalen Defekten und Werkstoffzuständen und die Induktions-Thermographie mit kurzzeitiger induktiver Anregung zur schnellen bildhaften Fehlerprüfung und Bewertung der Randzoneneigenschaften.
A2 Multiskalen-Geometrieerfassung von Turbinenschaufeln
Multiskalen-Geometrieerfassung von Turbinenschaufeln mittels robotergestützter, laserpositionierter Multisensortechnik
Fachgebiete und Arbeitsrichtung: Maschinenbau, Fertigungsmesstechnik, Optische Messtechnik
Teilprojektleiter / Projektbereichsleiter
Im Teilprojekt A2 soll die regenerationsgerechte Zustandsbeurteilung komplexer Bauteile durch die Kombination von optischer Multiskalensensorik und hochflexibler Sensorzustellung realisiert werden. Zu diesem Zweck werden ein Messsystem, bestehend aus einem Multisensorkopf zur mehrskaligen Geometrieerfassung, einem Roboter und einem Lasertracker, aufgebaut und Methoden zur Erfassung und regenerationsgerechten Auswertung von Geometrieabweichungen entwickelt und erforscht.
A3 Zustandsbeurteilung eines Triebwerks durch Analyse des Abgasstrahls
Zustandsbeurteilung eines Triebwerks durch Analyse des Abgasstrahls
Fachgebiete und Arbeitsrichtung: Wärmeenergietechnik, Thermische Maschinen und Antriebe
Teilprojektleiter / Projektbereichsleiter
Im Teilprojekt A3 wird mit einer neuen optischen Messtechnik, der Background Oriented Schlieren Methode, das Dichtefeld eines Abgasstrahls eines Flugzeugtriebwerks dreidimensional vermessen. Ist das Dichtefeld bekannt, kann man darüber das Temperaturfeld bestimmen. Ziel ist es zu untersuchen, welche Aussagen über mögliche Defekte und deren Lokalisierung im Triebwerk damit bereits vor der Demontage gemacht werden können.
- Dichte- sowie Temperaturfeld eines Abgasstrahls
A4 Einfluss von Störungen in der Brennkammer auf den Abgasstrahl
Einfluss von Störungen in der Brennkammer auf den Abgasstrahl
Fachgebiete und Arbeitsrichtung:
Teilprojektleiter / Projektbereichsleiter
Hierbei wird eine Methodik entwickelt, mit der der Einfluss von Störungen in Brennkammern von Flugtriebwerken auf den Abgasstrahl untersucht und abgebildet wird. Ziel ist, zusammen mit dem Teilprojekt A3 des Instituts für Turbomaschinen und Fluid-Dynamik, Betriebsstörungen in Brennkammern und Turbinen eines Flugtriebwerkes schon vor dem langwierigen und teuren Zerlegen analysieren zu können. Methodisch wird die Zuordnung zwischen Störungen und Abgasstrahlzustand rechnerisch erstellt, wobei dies in den ersten Jahren am Brennerprüfstand erprobt wird.
B1 Endkonturnahe Turbinenschaufelreparatur
Endkonturnahe Turbinenschaufelreparatur durch füge- und beschichtungstechnische Hybridprozesse
Fachgebiete und Arbeitsrichtung: Werkstoffkunde, Oberflächentechnik, Thermisches Spritzen, Löten
Teilprojektleiter / Projektbereichsleiter
Verschlissene Turbinenschaufeln werden auch bei großen Defekten durch Reparaturlöten und nachfolgende Schleif- und Laserbearbeitung sowie anschließendes Thermisches Spritzen (TS) mit folgender Wärmebehandlung wieder aufgebaut. Dabei ist das endkonturnahe Löten wegen der bis heute üblichen Lotapplikation durch Bepasten ungelöst. Eine Applikation durch TS verkürzt die Prozesskette. Die Kopplung von Lotapplikation und Heißgaskorrosionschutzbeschichtung sowie das folgende Diffusionsglühen im CVD-Prozess (Chemical Vapour Deposition) als TLP-Bonding (Transient Liquid Phase Bonding) wird für die Ausbildung des Reparaturlötgefüges genutzt.
B2 Reparaturzelle
Geschickte Reparaturzelle
Fachgebiete und Arbeitsrichtung: Spanende Fertigungstechnik
Teilprojektleiter / Projektbereichsleiter
Im Teilprojekt B2 werden grundlegende Untersuchungen für die Konzeptionierung, den Aufbau und die Erforschung einer geschickten Reparaturzelle durchgeführt, welche Regenerationswerkzeuge für komplexe Reparaturbauteile bereit stellt und durch die bislang unerforschte Kopplung von Prozessvorsteuerung, -kraftregelung und hybridem Achssystem zu einem adaptiven, selbstoptimierenden Regenerationsprozess befähigt. Im ersten Projektzeitraum wird – aufbauend auf systematischen Grundlagenuntersuchungen – ein Maschinenkonzept erarbeitet, in das die Regenerationstechnologien des SFB schrittweise integriert werden sollen.
B3 Verluste komplexer Oberflächenstrukturen
Einfluss komplexer Oberflächenstrukturen auf das aerodynamische Verlustverhalten von Beschaufelungen
Fachgebiete und Arbeitsrichtung: Wärmeenergietechnik, Thermische Maschinen und Antriebe
Teilprojektleiter / Projektbereichsleiter
| Im Teilprojekt B3 des SFB 871 werden die aerodynamischen Eigenschaften einer Kombination von betriebsbeanspruchten und regenerierten Oberflächen untersucht. Dabei erfolgt zum einen eine geeignete Charakterisierung der Kombinationen von Oberflächen. Zum anderen werden die Wechselwirkungen zwischen der Schaufelumströmung und lokal inhomogener Oberflächenstrukturen durch eine Parametrisierung beschrieben um so die Ursachen von aerodynamischen Verlusten zu erfassen. Ziel dieser Untersuchung ist es, neue Oberflächentoleranzen für die Regeneration sowie neue Regenerationspfade für die Oberflächenbearbeitung fest zu legen. |
TurbinenschaufelB4 Strukturanalyse nach Regeneration
Schwingungs- und Festigkeitsverhalten von Bauteilen mit regenerationsbedingten Geometrie- und Materialimperfektionen
Fachgebiet und Arbeitsrichtung: Mechanik
Teilprojektleiter / Projektbereichsleiter
Reale Bauteile weisen verschleiß- und regenerationsbedingte Defekte auf, die das Schwingungsverhalten und die Festigkeit eines Bauteils beeinflussen. Der Einfluss von Defekten oder Imperfektionen auf die strukturellen Eigenschaften eines dynamisch belasteten Bauteils werden in diesem Teilprojekt quantifiziert. Darüber hinaus wird ermittelt, wie sich die Streuung der Imperfektionen auf die stochastische Verteilung der strukturellen Eigenschaften auswirkt.
Geometrieabweichungen bei einer Turbinenschaufel
B5 Laserstrahlschweißen
Einkristallines Laserstrahlschweißen
Fachgebiete und Arbeitsrichtungen: Werkstoffwissenschaften, Lasermaterialbearbeitung, Prozessentwicklung
Teilprojektleiter / Projektbereichsleiter
Zur Reparatur von Defekten infolge Materialabtrags an einkristallinen Bauteilen steht das einkristalline Laserstrahlauftragsschweißen zur Verfügung. Ziel dieses Teilprojekts ist die Entwicklung eines einkristallinen Schweißprozesses zur Reparatur von Rissen.
Skizze möglicher Versuchsaufbau
Die komplexe Geometrie der Defektstelle sowie die damit verbundene Wärmeableitung aus der Reparaturzone stellen dabei den wesentlichen Unterschied zum Auftragsschweißprozess dar. Durch Simulation der Gefügeausbildung in der Schweißnaht soll der zur einkristallinen Reparaturschweißung erforderliche Temperaturgradient ermittelt und mittels Induktion realisiert werden.
C1 Prozessauslegung
Simulationsbasierte Prozessauslegung spanender Rekonturierungstechnologien
Fachgebiete und Arbeitsrichtung: Spanende Fertigungstechnik
Teilprojektleiter / Projektbereichsleiter
Im Teilprojekt C1 werden mit Hilfe von Zerspanuntersuchungen und -simulationen geeignete Modelle erstellt, die eingesetzt werden können, um den Zerspanungsprozess gezielt auf die erforderlichen Oberflächen- und Randzoneneigenschaften einzustellen. Besondere Berücksichtigung findet hierbei der Übergang vom ursprünglichen zum aufgetragenen oder angeführten Material. Weiterhin wird ein Verfahren zur effektiven Prozessplanung entwickelt, dass die erarbeiteten Regeln bei der Erzeugung von Werkzeugwegen für das fünfachsige Fräsen berücksichtigt und wiederkehrende, ähnliche Bearbeitungsaufgaben durch Anpassung an die jeweilige reale Bauteilgestalt effektiver gestaltet.
Vision SFB 871 C1
C2 Schnelle Prüfung komplexer Geometrien
Schnelle Prüfung komplexer Geometrien mittels inverser Streifenprojektion
Fachgebiete und Arbeitsrichtung: Maschinenbau, Messtechnik, Optische Messtechnik
Teilprojektleiter / Projektbereichsleiter
Einsatzbedingter Verschleiß und individuelle Regenerationspfade führen bei den Komponenten komplexer Investitionsgüter wie Turbinenschaufeln bei jedem Regenerationsschritt zur Geometrieprüfung, bei der individuelle Sollgeometrien berücksichtigt werden müssen. Im Teilprojekt C2 soll die Geometrieabweichung komplexer, regenerierter Bauteile von ihrer individuellen Sollgeometrie durch inverse Streifenprojektion direkt erfasst werden. Hierzu werden auf der Grundlage eines virtuellen Messsystems Algorithmen zur Generierung inverser Streifenmuster entwickelt und erforscht, sowie ein Laboraufbau des inversen Streifenprojektionssystems realisiert.
C3 Regenerationsbedingtes Mistuning
Einfluss des regenerationsbedingten Mistunings auf die Dynamik
Fachgebiet und Arbeitsrichtung: Mechanik, Dynamik und Schwingungen
Teilprojektleiter / Projektbereichsleiter
Im ersten Arbeitspaket des Teilprojektes C3 werden Schnittstellen zu kommerziellen Finite-Elemente-Programmen zum Datentransfer definiert. Diese Ausgangsdaten sind Grundlage für die in drei Arbeitspaketen zu entwickelnde Methodik zur Beschreibung der Dynamik verstimmter Schaufelkränze. Diese beinhalten die Entwicklung effizienter Reduktionsmethoden, die Implementierung von Sensitivitätsanalysen und Monte-Carlo-Simulationen sowie die eigentliche Berechnung der Schwingungsantwort. In zwei weiteren Arbeitspaketen werden experimentelle Untersuchungen durchgeführt und die Ergebnisse mit den Resultaten der Simulation verglichen.
a) Substrukturen der Schaufeln und der Scheibe | b) Finite Elemente einer verstimmten beschaufelten Scheibe |
C4 Aeroelastik von Turbinenschaufeln
Regenerationsbedingte Varianz aeroelastischer Eigenschaften von Turbinenschaufeln
Fachgebiete und Arbeitsrichtung: Aerodynamik, Aeroelastik, Schaufelschwingungsmesstechnik
Teilprojektleiter / Projektbereichsleiter
Regenerationsbedingte Varianzen der Geometrie von Turbinenschaufeln wirken sich unmittelbar auf die aeroelatische Anregung und das Schwingungsverhalten aus. Mittels speziell modifiezierter Schaufelsätze sollen diese Auswirkungen erstmalig in einer rotierenden Maschine experimentell ermittelt und zusätzlich numerisch simuliert werden. Dabei werden für den SFB wichtige Erkenntnisse darüber gewonnen, wie sich betriebsbedingte und regenerationsbedingte Varianzen der Geometrie in Komponenten des Investitionsgutes auf das Schwingungsverhalten auswirken, das seinerseits die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit entscheidend beeinflusst.
C5 Risswachstum
Vorhersage von Risswachstum und Dauerfestigkeit von reparierten Bauteilen
Fachgebiete und Arbeitsrichtungen: Mechanik, Bruchmechanik, numerische Mechanik, Finite Elemente Methoden
Teilprojektleiter / Projektbereichsleiter
Durch Regenerationsvorgänge können im Material Veränderungen auftreten, die die mechanischen Eigenschaften wesentlich beeinflussen. Insbesondere sind hier Gefügeveränderungen und von außen eingebrachte Eigenspannungen sowie Porenbildung zu nennen, die auf die Rissbildung, den Rissfortschritt und damit die Dauerfestigkeit des regenerierten Bauteils erheblichen Einfluss haben. In diesem Teilprojekt wird die Rissbildung und der Rissfortschritt beeinflusst durch diese Materialveränderungen mit Hilfe der extended finite element method numerisch berechnet und untersucht.
Multiple miteinander interagierende Mikrorisse in einem homogenen Matrixmaterial
D1 Kapazitätsplanung
Kapazitätsplanung und -abstimmung bei unscharfen Belastungsinformationen
Fachgebiete und Arbeitsrichtung: Maschinenbau, Produktionstechnik, Logistik
Teilprojektleiter / Projektbereichsleiter
Zur Erhöhung der Logistikleistung von Regenerationsprozessen werden am Institut für Fabrikanlagen und Logistik, im Rahmen des Teilprojekts D1, Methoden zur Verfügbarkeitsanalyse von Regenerationsschritten sowie eine Methode für eine effiziente Kapazitätsplanung und -abstimmung trotz unscharfer Belastungsinformationen entwickelt. Neben einem generischen Prozessmodell werden dazu eine Schadensbibliothek, eine Verfügbarkeitsanalyse von Regenerationsschritten sowie darauf aufbauend ein Wirkmodell für die Kapazitätsplanung und Belastungssteuerung erarbeitet.
D2 Kennfeldanalyse
Einfluss von Geometrieabweichungen auf das Kennfeld einer Turbomaschine
Fachgebiete und Arbeitsrichtung: Aerodynamik und Thermodynamik der Turbine
Teilprojektleiter / Projektbereichsleiter
Sowohl beschädigte als auch regenerierte Turbinenschaufeln weichen im Allgemeinen von der ursprünglichen Design-Geometrie ab. Um frühzeitig Aussagen über die Auswirkungen einzelner entarteter Schaufeln auf das Kennfeld und den Wirkungsgrad der Gesamtturbine machen zu können, wird im Teilprojekt D2 ein sogenanntes Through-Flow Programm zur Berechnung wichtiger Strömungsgrößen eingesetzt. Dieses zweidimensionale Rechenverfahren simuliert die Strömung besonders effizient auf der S2m-Stromfläche, wobei auch dreidimensionale Strömungseffekte durch verschiedene Verlustzahlen pauschal berücksichtigt werden.
Berechnungsgitter des Through-Flow Programms auf der S2m-Stromfläche
Im Rahmen des SFB 871 sollen sowohl experimentell als auch numerisch weitere Verlustkorrelationen bezüglich MRO-kritischer Geometrieparameter ermittelt werden. Im Speziellen sind dies Variationen bezüglich der Größe des Radialspalts zwischen Schaufel und Gehäuse, der Dicke der Schaufelhinterkante und der Schaufelspitzengeometrie. Diese Zusammenhänge sollen in das Through-Flow Programm implementiert werden, so dass zukünftig bereits vor dem Regenerationsprozess Vorhersagen über das modifizierte Verhalten der Turbine gemacht werden können.
D3 Auswahl der Regenerationsmodi
Auswahl effizienter Regenerationsmodi für verschiedene Kundengeschäftsmodelle
Fachgebiete und Arbeitsrichtung: Betriebswirtschaftslehre insbes. Produktionswirtschaft und Operations Research
Teilprojektleiter / Projektbereichsleiter
Im Teilprojekt D3 sollen wissenschaftliche Grundlagen für eine Entscheidungsunterstützung zur Auswahl effizienter Regenerationsmodi erarbeitet werden. Diese Gestaltung der Regenerationsprozesse soll sich u.a. an den Kriterien Ressourceneinsatz, Zeit, Kosten und Erreichung der funktionalen Eigenschaften orientieren. Zudem sollen die unterschiedlichen Geschäftsmodelle der Eigentümer der Regenerationsobjekte explizit berücksichtigt werden.
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