Motivation und Zielsetzung
Für eine Detektion defekter Komponenten in Flugtriebwerken müssen diese aktuell demontiert werden. Der Reparaturaufwand und somit die Stillstandzeit des Triebwerks lässt sich daher aktuell nur sehr schlecht vorhersagen, da die vorliegenden Beschädigungen erst im laufenden Regenerationsprozess sichtbar werden. Der Regenerationsprozess ist somit nicht nur zeit- und kostenintensiv, sondern hat auch eine große Unsicherheit in der Planung. Im Teilprojekt A3 wird eine Methodik entwickelt, die eine Zustandsbeurteilung von Triebwerken vor der Demontage ermöglicht. Die Idee ist, dass defekte Komponenten im Heißgaspfad (HGP, Bereich stromab der Brennkammer) von Triebwerken einen Einfluss auf die lokale Dichteverteilung in der Strömung haben, welche sich als Unregelmäßigkeiten in der Dichteverteilung bis in den Abgasstrahl ausbreiten. Mit der Background-Oriented Schlieren (BOS) Methode können diese Unregelmäßigkeiten im Abgasstrahl berührungslos detektiert werden und es kann ein Rückschluss auf den zugrundeliegenden Defekt im Triebwerk gezogen werden. Somit ist es einerseits möglich Triebwerke schnell auf Beschädigungen zu prüfen, um diese bedarfsgerecht zu warten und die frühzeitige Identifikation von Beschädigungen erlaubt eine verbesserte Planung der nachfolgenden Instandhaltung der Triebwerke.
Ergebnisse
In den ersten beiden Förderperioden des SFB konnte bereits numerisch gezeigt werden, dass defekte Komponenten im Abgasstrahl einen Einfluss auf die Dichteverteilung im Abgasstrahl haben und hier mit tomographischen BOS Messungen detektiert werden können. Mit Hilfe von Mustererkennungsalgorithmen ist es weiterhin möglich, die rekonstruierten Dichteverteilungen im Abgasstrahl automatisiert zu analysieren und so Defekte automatisch zu erkennen. Neben diesen numerischen Untersuchungen konnte am Hubschraubertriebwerk des TFD die grundsätzliche Einsatzmöglichkeit von tomographischen BOS Messungen an Triebwerken gezeigt werden. Tomographische BOS Messungen an einer Modellbrennkammer haben außerdem gezeigt, dass es möglich ist Defekte in Brennkammern anhand der Dichteverteilung im Abgasstrahl mit BOS zu detektieren. Durch eine Weiterentwicklung der tomographischen Auswertealgorithmen können bereits sehr kleine Abweichungen in der Leistung eines Brenners einer Ringbrennkammer detektiert werden.
Dichteverteilung im Abgasstrahl eines Drallbrenners ohne Defekt (links) und mit einem Brennerausfall (rechts).
Aktuelle Arbeiten und Ausblick
Zum Abschluss des Projektes in der laufenden dritten Förderperiode des SFB soll die entwickelte Methodik an einem realen Triebwerk validiert werden. Zu diesem Zweck werden in zwei Messkampagnen definierte Defekte in ein Triebwerk eingebracht und der Abgasstrahl mit tomographischem BOS rekonstruiert. Der Einfluss der Defekte auf den Abgasstrahl wird durch einen Vergleich mit Messungen des Triebwerks im Referenzfall (ohne eingebrachten Defekt) untersucht. Zusätzlich wird der Einfluss der Defekte auf den Abgasstrahl mit einem numerischen Modell vorhergesagt und mit den Ergebnissen der Messungen validiert. Nach dieser erfolgreichen Validierung ist es dann möglich, den Einfluss weiterer Defekte auf den Abgasstrahl numerisch vorherzusagen und so eine Datenbank mit möglichen Schadensfällen aufzubauen. Ein Triebwerk mit einem unbekannten Zustand kann dann später optisch vermessen werden und die Ergebnisse der Messungen mit Hilfe von Mustererkennungsalgorithmen mit der Schadensdatenbank verglichen werden. Somit können Defekte in Triebwerken berührungslos, vor der Demontage detektiert werden.
Verantwortliches Institut
Das Projekt wird verantwortet durch das Institut für Turbomaschinen und Fluid-Dynamik.
Teilprojektleiter
30823 Garbsen
30823 Garbsen
Mitarbeiterin
Veröffentlichungen
Internationale wissenschaftliche Beiträge in Fachzeitschriften, begutachtet
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(2020): Influence of combined compressor and turbine deterioration on the overall performance of a jet engine using RANS simulation and Pseudo Bond Graph approach, J. Glob. Power Propuls. Soc. 4 (3), S. 296–308
DOI: 10.33737/jgpps/131109 -
(2016): Combining ART and FBP for improved fidelity of tomographic BOS, Meas. Sci. Technol. 27 (9), S. 097001
DOI: 10.1088/0957-0233/27/9/097001 -
(2016): Automatic Detection of Defects in a Swirl Burner Array Through an Exhaust Jet Pattern Analysis, In: J. Eng. Gas Turbines Power 139 (3)
DOI: 10.1115/1.4034449 -
(2014): Methodology for evaluating hot gas path defects in an exhaust jet, Aerospace Science and Technology 39 (Vol. 39), S. 120–127
DOI: 10.1016/j.ast.2014.08.011 -
(2012): Time Resolved Full-Annulus Computations of a Turbine with Inhomogeneous Inlet Conditions, International Journal of Gas Turbine, Propulsion and Power Systems 4,2, S. 01–07
Internationale Konferenzbeiträge, begutachtet
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(2018): Automated Condition Evaluation of Hot-Gas Path Components of Jet Engines through Exhaust Jet Analysis, Proceedings of the ASME Turbo Expo 2018, 11-15 June 2018, Oslo, Norway, GT2018-75384
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(2016): Numerical Evaluation of the Condition of a Jet Engine through Exhaust Jet Analysis, In: ASME (Hg.): Proceedings of the ASME Turbo Expo 2016
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(2016): Automatic Detection of Defects in an Annular Swirl Burner Array Through an Exhaust Jet Pattern Analysis, Proceedings of the ASME Turbo Expo 2016, S. 1–10
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(2016): Early Defect Detection on an annular Swirl-Burner-Array by Optical Measuring Exhaust Gases and Numerical Analysis, In: Proceedings of the ASME Turbo Expo 2016, June 13-17, 2016, Seoul, South Korea
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(2015): Application of an Algebraic Reconstruction Algorithm to Tomographic BOS Measurements, In: Gas Turbine Society of Japan (Hg.): Proceedings of International Gas Turbine Congress 2015, Japan, S. 1214–1221
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(2013): Impact of Defects and Damage in Aircraft Engines on the Exhaust Jet, Proceedings of the ASME Turbo Expo, 3-7 June 2013, San Antonio, USA, GT2013-95709
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(2013): Experimental Demonstration of Analyzing an Engine's Exhaust Jet with the Background-Oriented Schlieren Method, AIAA Ground Testing Conference, 24-27 June 2013, San Diego, USA
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(2013): Early Assessment of Defects and Damage in Jet Engines, International Through-Life Engineering Services Conference, Bd. 11. Cranfield, England, S. 328–333
DOI: 10.1016/j.procir.2013.07.022 -
(2011): Time Resolved Full-Annulus Computations of a Turbine with Inhomogeneous Inlet Conditions, International Gas Turbine Congress 2011 Osaka, Japan, IGTC2011-0175
Internationale Konferenzbeiträge, nicht begutachtet
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(2018): Experimental Defect Detection in a Swirl-Burner Array Through Exhaust Jet Analysis, 2018 AIAA Aerospace Sciences Meeting, AIAA SciTech Forum, 8-12 January 2018, Kissimmee, Florida, USA, AIAA2018-0303
DOI: 10.2514/6.2018-0303 -
(2015): Tomographic Background Oriented Schlieren Applications for Turbomachinery , 53rd AIAA Aerospace Sciences Meeting (invited), 5-9 January 2015, Kissimmee, Florida
DOI: 10.2514/6.2015-1690 -
(2014): Application of the Background-Oriented Schlieren Method for the Analysis of an Engine's Exhaust Jet, XXII Biannual Symposium on Measuring Techniques in Turbomachinery, 4-5 September 2014, Lyon, France
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(2011): Inverse Methods in Turbomachinery Applications, Aachen Conference on Computational Engineering Science (ACCES). Aachen, 01.01.2011
Nationale Konferenzbeiträge, nicht begutachtet
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(2015): Fehlerfrüherkennung von Brennkammerdefekten einer Ringbrennkammer aus einem 8-Drallbrenner-Array mittels optischer Abgasstrahlanalyse und numerischer Zuordnung, 27. Deutscher Flammentag Verbrennung und Feuerung, Düsseldorf: VDI-Verlag, S. 393–402
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(2015): Correlation of Defects in an Annular Swirl-Burner-Array by Optical Measuring Exhaust Gases and Numerical Analysis, 64. Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2015, 22-24 September 2015, Rostock
Dissertationen
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(2014): Zustandsbeurteilung eines Triebwerks durch die Analyse des Abgasstrahls, Leibniz Universität Hannover, Berichte aus Institut für Turbomaschinen und Fluid-Dynamik Band 6/2014
