Neuartiges Servoventil für mehr Effizienz in der Flugzeughydraulik
Elektrohydraulische Servoventile werden für die Kraftstoffsteuerung des Motors, die Brems- und Lenkanlage sowie die primäre Flugsteuerung (Betätigung von Höhen-, Quer- und Seitenruder) verwendet. Diese kritischen Komponenten, von denen ein typisches Verkehrsflugzeug etwa 40 hat, geben jede Bewegung eines Flugzeugs vor. Meist steuern sie den Fluss der Hydraulikflüssigkeit von den Hochdruckpumpen zu den Hydraulikzylindern, wodurch eine präzise Positionierung des Kolbens innerhalb jedes Zylinders erreicht werden kann. Jeder Zylinder wiederum ist z. B. mit einer Steuerfläche oder mit den Lenk- oder Bremssystemen verbunden. In einem Servoventil, das ein Präzisionsbauteil ist, werden die kleinen, schnellen Bewegungen eines Miniatur-Elektromotors hydraulisch verstärkt, um einen Gleitschieber zu bewegen, der selbst Öffnungen (Löcher) öffnet oder schließt, um den Hydraulikfluss zu steuern. Der Elektromotor „zuckt“ um weniger als 100 Mikrometer – die Dicke eines menschlichen Haares – und gibt so letztlich die Bewegung des Flugzeugs vor, das eine Masse von mehreren hundert Tonnen haben kann. Die Fertigungskosten für Servoventile sind aufgrund der großen Anzahl von Teilen, der engen Toleranzen und der für die modernen Konstruktionen erforderlichen manuellen Einrichtungsprozesse extrem hoch. Diese manuellen Fertigungsaufgaben können zu Unterschieden bei den Ventilen führen und potenzielle Zuverlässigkeitsprobleme aufwerfen, die für diese sicherheitsrelevanten Komponenten ein echtes Problem darstellen können – ganz zu schweigen von den möglichen Fertigungsabfällen (Ausschuss). Darüber hinaus leiden derzeitige Konstruktionen unter Leckströmen, die zu einer beträchtlichen Leistungsaufnahme führen.
Innovativer Ansatz
Im EU-finanzierten Projekt Development of a novel servovalve concept for aircraft (DNSVCFA) wurde eine radikal andere Technologie eingesetzt, um die Fertigung effizienterer und zuverlässigerer Servoventile zu ermöglichen, die zudem kostengünstiger sind. Die Schlüsseltechnologie liegt in der Verwendung einer piezoelektrischen Ansteuerung. Piezoelektrische Keramiken verändern ihre Form, wenn sie einem elektrischen Feld ausgesetzt werden. Sie sind eine „Festkörper“-Ansteuerungsmethode, die den komplexen Miniatur-Elektromotor ersetzt. „Wir haben auch eine innovative ‚Doppelklappe‘ eingeführt. Das bedeutet, dass die durch Ventil-Leckagen verloren gehende Leistung über die meiste Zeit fast auf null reduziert werden konnte“, sagt Andrew Plummer, Projektkoordinator und Direktor des Centre for Power Transmission and Motion Control an der University of Bath. Eine Simulation mit computergestützter Strömungsmechanik verifizierte den Entwurf, einschließlich der Vorhersage der Fluidströmung. Auf dieser Grundlage konnte ein Prototyp zur Erprobung und Validierung des Konzepts gebaut werden.
Signifikante Vorteile
Die Forschung wurde durch das Marie-Skłodowska-Curie-Programm gefördert. Der Forschungsstipendiat Paolo Tamburrano untersuchte dabei den Fertigungsprozess von Servoventilen und arbeitete dafür auch bei einem großen Servoventil-Hersteller. „Diese Erfahrung war äußerst nützlich und hat mir dabei geholfen, die praktischen Aspekte der Konstruktion und Herstellung von Servoventilen besser zu verstehen und dieses Wissen wieder in das Projekt einzubringen“, bemerkte er. Am Ende steht nun ein neuartiges Ventildesign, das mit weniger Teilen und bei geringerer Komplexität genauso gut funktioniert wie ein herkömmliches Servoventil. „Wir haben auch Effizienzsteigerungen erreicht – die hängen zwar sehr von der Betriebsart ab, aber wir gehen in der Regel davon aus, dass die von einem Flugzeugbetätigungssystem verwendete hydraulische Leistung mit den neuen Ventilen halbiert wird. Der nächste Schritt ist die Quantifizierung der Fertigungsvorteile, aber wir sind sehr hoffnungsvoll, dass auch diese erheblich sein werden“, so Plummer abschließend.
Schlüsselbegriffe
DNSVCFA, Servoventil, Hydraulik, Piezoelektrik, Luft- und Raumfahrt, computergestützte Strömungsmechanik