Neues Überwachungssystem in situ senkt Ausfallrisiko von Triebwerken
Forscher, die am Projekt i-Bearing beteiligt waren, haben erfolgreich Indikatoren für die Lager im Anlasser des Triebwerks entwickelt, mit denen vorhergesagt werden kann, wann diese kleinen aber lebenswichtigen Teile von Flugzeugtriebwerken an Effektivität verlieren. Kleine Teile, große Wirkung Die Luftfahrtindustrie hat es sich zur Aufgabe gemacht, die Energiesysteme der Luftfahrt zu revolutionieren. Für alle neuen Funktionen an Bord, die in einem stärker elektrisch arbeitenden Flugzeug möglich sind, muss mehr Strom aufgeteilt und verteilt werden und die Umwandlung mechanischer Energie in Elektrizität muss effektiver sein. „Der zusätzliche Strombedarf in Flugzeugtriebwerken würde normalerweise bedeuten, dass die Systeme größer und schwerer werden. Wir wollen aber einen anderen Ansatz verfolgen, indem wir die Generatoren schneller rotieren lassen“, meint Abel Mendes, Technikvorstand bei Active Space Technologies in Portugal. Das Konzept hat aber seine ganz eigenen Probleme: schnellere Rotation führt zu schnellerem Verschleiß und Schäden am System. Überwachung in Echtzeit mit einer Lösung wie iBearing ist daher von unschätzbarem Wert. iBearing verändert das Paradigma in diesem Bereich signifikant. Ziel ist eine Verbesserung der Energieeffizienz, aber ohne die Umwelt zu belasten. Dazu hat das Projekt einen Schwerpunkt darauf gelegt, die Leistung der Lager im Anlasser des Triebwerks zu verbessern. Diese Bauteile sind für den Motorbetrieb unerlässlich. Spezialisten der Luftfahrttechnik zufolge ist es schwer vorherzusagen, wann sie ausfallen werden, weil sie so klein und, sobald sie in das Triebwerk eingebaut wurden, auch schwer zugänglich sind. Zustandsüberwachung jederzeit Normalerweise werden Flugzeugtriebwerke von Bodenstationen aus überwacht. „Wir analysieren die Daten, die Sensoren beim Flug im Triebwerk sammeln. Dadurch können die Mitarbeiter die Leistung genauer einschätzen und den mechanischen Verschleiß sowie das Versagen von Triebwerksteilen vorhersagen“, erklärt Mendes. Mit Sensoren, die Temperatur, Druck, Vibration sowie Beschleunigung und Lärm direkt im Herzen des Flugzeugtriebwerks messen können, lassen sich bessere Erkenntnisse über die Lebensdauer der Lager gewinnen. „Messungen der akustischen Emissionen ergänzen die Vibrationssensoren, da sie schon eher Informationen zum Verschleiß der Lager liefern können, nämlich wenn die ersten Mikrorisse auftreten“, meint Mendes. In der Frühphase des Projekts konzentrierten sich die Forscher noch auf die Bewertung von Technologien, die Flugzeugsteuerungssysteme ermöglichen, sowie intelligenten Sensoren. Später wurde eine Hülse gestaltet und montiert, in der sowohl Lager als auch Sensoren enthalten sind, und in einem entsprechenden Prüfstand getestet. Daraus konnten die Forscher wichtige Datenanalysen und diagnostische Algorithmen ableiten. „Wir haben neue Techniken zur Datenfusion eingesetzt, mit denen wir schließlich 20 Zustandsindikatoren zu einem einzigen Algorithmus kombinieren konnten, der eine Fehlerdiagnose – Fehler klassifizieren und ihre Schwere anhand des Ausmaßes abschätzen – durchführt, indem neue Daten mit den etablierten Markern von Fehlerzuständen abgeglichen werden“, so Mendes weiter. Ihm zufolge lassen sich experimentelle Bedingungen in Laboren und auf Prüfständen nur schwer replizieren, da die Temperatur und die Rotationsgeschwindigkeit hoch und die Vibrationen stark sind und Ölnebel den Einsatz verschiedener Sensorenarten behindert. Doch das Team hat für diese herausfordernde Situation eine Lösung gefunden. Hohen Temperaturen und Geschwindigkeiten standhalten Das Zustandsüberwachungssystem sollte die sichere Lebensdauer des Lagers messen und sein Versagen mindestens 100 Stunden im Voraus vorhersagen können. Dazu musste es so gestaltet werden, dass es klein genug ist, unabhängig funktioniert und schwierige Umgebungsbedingungen aushält. Mit diesen Vorgaben vor Augen hat das Team einen Prototypen entwickelt, der Lager in situ überwachen und dabei in allen Flugphasen das gesamte Spektrum von Rotationsgeschwindigkeiten aushalten kann – typischerweise zwischen 10 000 und 30 000 Umdrehungen pro Minute. Die Leistung des Prototypen wurde bei Temperaturen zwischen 150 und 200 °C getestet und zeigte vielversprechende Ergebnisse. Damit das Produkt die Normen noch besser erfüllt, sind eine weitere Miniaturisierung der iBearing-Lösung und besseres Wärmemanagement notwendig. Das Endprodukt ist dann ein miniaturisiertes Gerät, das sich leicht in jedes Lager einbauen lässt und an die Form neuer Lager nur minimal angepasst werden muss. Für dieses autonome Zustandsüberwachungssystem ist kein menschlicher Bediener notwendig.
Schlüsselbegriffe
iBearing, Sensor, Lebensdauer, in situ, Zustandsüberwachung, Lager am Triebwerksanlasser, Zustandsindikator
