Die Entwicklung eines verbesserten Systems zur Mikrowellenabstandsmessung
Unter den vielen, auf dem Reißbrett existierenden integrierten Technologiedemonstratoren (ITD) zielen die SAGE-ITD-Ziele (Sustainable and Green Engine) auf Triebwerke und Triebwerkstechnologien ab, die den Treibstoffverbrauch und die damit verbundenen Emissionen reduzieren. Man geht davon aus, dass mit dem Getriebefan (Geared Turbofan) im Vergleich zu den gegenwärtig im Einsatz befindlichen Mantelstromtriebwerken der Treibstoffverbrauch und die Kohlendioxidemissionen um 15 % und die Lärmstärken um 50 % reduziert werden. Diese Reduzierungen stehen im Einklang mit den Verpflichtungen im Rahmen von Clean Sky, die durch den Rat für Luft- und Raumfahrtforschung und Innovation in Europa (Advisory Council for Aviation Research and Innovation in Europe, ACARE) für das Jahr 2020 festgelegten Ziele zu erreichen. Eine der wichtigsten Herausforderungen in Hinsicht auf Gasturbinenkonfigurationen war der Abstand zwischen den Schaufelspitzen und dem umgebenden Gehäuse (Abdeckungen), der aufgrund von Veränderungen in den mechanischen und thermischen Belastungen an den rotierenden und feststehenden Bauteilen zu Abweichungen neigt. Im bisherigen experimentellen Vorgehen war es nicht gelungen, zwischen radialem und axialem Abstand zu unterscheiden, was ungenaue Abstandsmessungen zur Folge hatte. Die Arbeit, die im Rahmen des MICMEST-Projekts (Microwave clearance measurement system for low pressure turbines) durchgeführt wurde, nahm sich dieses Anliegens durch Weiterentwicklung des technologischen Reifegrads des Mikrowellenabstandsmesssystems (Microwave Clearance Measurement System, MCMS) an. Ziel von MICMEST war eine Validierung des verbesserten MCMS im Getriebefan mit neuester Niederdruckturbinentechnologie, um dessen Eignung für den dauerhaften Betrieb in rauer Umgebung mit hohen Temperaturen zu beweisen. Das eine Sonde, Datenerfassungshardware und Datenverarbeitungssoftware umfassende MCMS sollte im Endeffekt Teil eines geregelten, aktiven Abstandssystems werden, das an sämtlichen Betriebspunkten einen ausreichenden Spitzenabstand beibehalten muss. Auf die Zielvorgaben rückten die Forscher mit der Gestaltung und Erprobung neuer Schaufelabdeckungen mit speziellen Rippengeometrien vor, die ein Anregungssignal liefern, das die Messung außeraxialer und -radialer Rotorpositionen ermöglicht. Das Projekt kann folgende wichtige Errungenschaften vorweisen: Neue Schaufelabdeckungen einschließlich geometrischer Merkmale, die ein Signal über einen großen Bereich der Axialposition und des radialen Abstands bereitstellen. Eine neue Drehausrüstung (Spin-Rig) wurde für die Laborvalidierung des Messsystems vor dem Einbau in das Triebwerk entworfen und gebaut. Ein Sensoreinbaukonzept, das die SAGE4-Demonstrator-Triebwerkmontageanforderungen und die Beschränkungen in Sachen Einschlusssicherheit erfüllt, wurde konzipiert und validiert. Die Haltbarkeit der Mikrowellensensoren wurde durch eine umfangreiche Labortemperatur-Testkampagne nachgewiesen. Das MCMS durchlief die SAGE4-Triebwerkstestkampagne und bewährte sich bei der Aufzeichnung von Messungsdaten ohne Sensorausfälle. Obgleich den Forschern die Erfassung der Messdaten ohne Sensorausfälle gelang, müssen weitere Arbeiten folgen, damit die MCMS-Technologie ausreifen und das ultimative Ziel der Einbindung des Systems für Serienanwendungen in ein AAC-System (Active Clearance Control) erreicht werden kann.
Schlüsselbegriffe
Tip-Clearance, Spitzenabstand, Schaufelspitze, Gasturbine, MICMEST, Microwave Clearance Measurement, Mikrowellenabstandsmessung, axiale Positionsmessung
