DE102007060511B4

DE102007060511B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Simulation von Regenerosion

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Publication number: DE102007060511B4
Application number: DE200710060511
Authority: DE
Inventors: Matthias Grundwürmer; Norbert Schupp; Dr. Wehr Jürgen
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2007-12-13
Filing date: 2007-12-13
Publication date: 2014-04-24
Anticipated expiration: 2027-12-14
Also published as: DE102007060511A1; WO2009074514A1

Abstract

Verfahren zur Simulation von Regenerosion an einem Objekt (17), aufweisend die folgenden Schritte: Erzeugen eines kontinuierlichen Partikelstrahls (10) durch eine Pumpvorrichtung (18); Fokussieren des kontinuierlichen Partikelstrahls (10) durch eine Fokussierungsvorrichtung (11); Segmentieren des kontinuierlichen Partikelstrahls (10) durch eine Segmentierungsvorrichtung (12), wobei die Strahlsegmentlänge (14) stufenlos einstellbar ist, um einen definierten, segmentierten Partikelstrahl (13) zu erzeugen; und Definiertes Beaufschlagen des Objektes (17) mit dem definierten, segmentierten Partikelstrahl (13), wobei der Partikelstrahl (13) ein Fluidstrahl (13) ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Simulation von Regenerosion an einem Objekt. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Simulation von Regenerosion an einem Objekt sowie die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Das Problem der Erosion von Luftfahrtkomponenten durch Sand, Regen oder Eis ist bekannt und wird seit geraumer Zeit intensiv untersucht. Besonders anfällige Komponenten für den Abtrag durch Tröpfchenaufschläge an einem Flugzeug sind die Vorderkanten der Flügel, Seiten und Höhenleitwerk, das Dome oder aber auch die Vorderkanten von Helikopter-Rotorblättern sowie alle Bauteile, die ein Hindernis für die Luftströmung darstellen, wie zum Beispiel Linsen.
Die Entwicklung von realitätsnahen Simulationen mag dabei als einer der entscheidenden Schritte zur Entwicklung von erosionsbeständigen Materialien angesehen werden.
Besondere Bedeutung hat der Erosionsschutz zum Beispiel im Flug in sandigen oder regenreichen Gebieten. Dabei mögen Extremsituationen auftreten, in denen aufgrund des Abtrags die Flugzeit auf wenige Minuten reduziert wird, bis ein Erosionsschutz auf einer Komponente wieder erneuert werden muss.
Für eine erfolgreiche Neu- bzw. Weiterentwicklung eines Werkstoffs oder einer Beschichtung ist somit ein verlässlicher und realitätsnaher Test, der im Labormaßstab die Schädigung simuliert, hilfreich.
Beispielsweise beschreibt das Dokument von Y. I. Oka et al.: Effective parameters for erosion caused by water droplet impingement and applications to surface treatment technology, in Wear, Vol. 263, 2007, Seite 386–394, die Erosion von Aluminiumblechen durch Wasserjets einer definierten Länge und zwischen Düse und Objekt. Weiter bekannte Verfahren werden beispielsweise beschrieben in Duraiselvam, M. et al.: Liquid impact erosion characteristics of martensitic stainless steel laser clad with Ni-based intermetallic composites and matrix composites, in Wear, Vol. 261, 2006, Seite 1140–1149, und Seward, C. R. et al.: Liquid and solid erosion properties of diamond, in: Diamond and materials, Vol. 2, 1993, Seite 606–611.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zur Simulation von Regenerosion an einem Objekt bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Simulation von Regenerosion an einem Objekt, eine Vorrichtung zur Simulation von Regenerosion an einem Objekt sowie durch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Simulation von Regenerosion an einem Objekt geschaffen, aufweisend die Schritte Erzeugen eines kontinuierlichen Partikelstrahls durch eine Pumpvorrichtung, Fokussieren des kontinuierlichen Partikelstrahls durch eine Fokussierungsvorrichtung, Segmentieren des kontinuierlichen Partikelstrahls durch eine Segmentierungsvorrichtung, wobei die Strahlsegmentlänge stufenlos einstellbar ist, um einen definierten, segmentierten Partikelstrahl zu erzeugen und definiertes Beaufschlagen des Objektes mit dem definierten, segmentierten Partikelstrahl, wobei der Partikelstrahl ein Fluidstrahl ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich hierbei durch eine einfache und definiert kontrollierte Methode zur Simulation von Regenerosion an einem Objekt auf, welches sich auch in kleinem Maßstab bzw. mit überschaubarem Platzaufwand realisieren lässt. Zudem ist eine hohe Wiederholbarkeit des Verfahrens gewährleistet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur Simulation von Regenerosion an einem Objekt geschaffen, welche eine Erzeugungsvorrichtung zum Erzeugen eines definierten, segmentierten Partikelstrahls aufweist, wobei die Vorrichtung eine Pumpvorrichtung zum Erzeugen eines kontinuierlichen Partikelstrahls,
eine Fokussierungsvorrichtung zum Fokussieren des kontinuierlichen Partikelstrahls und eine Segmentierungsvorrichtung zum Segmentieren des kontinuierlichen Partikelstrahls aufweist, wobei die Strahlsegmentlänge stufenlos definiert einstellbar ist, und die Vorrichtung derart eingerichtet ist, ein Objekt mit dem definierten, segmentierten Partikelstrahl definiert zu beaufschlagen, wobei der Partikelstrahl ein Fluidstrahl ist.
Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden die nachfolgenden Definitionen verwendet.
Partikelstrahl:
Als Partikelstrahl wird jedweder Strahl bzw. Strom oder Fluss von Partikeln, Teilchen, Molekülen oder Atomen (und deren Bestandteilen) verstanden, der eine hinreichend definierte Form anzunehmen vermag. Der Partikelstrahl mag hierbei aus Festkörperteilchen bestehen, wie beispielsweise Sand oder anderen geeigneten Feststoffen, oder aber mag auch als Flüssigkeitsstrahl ausgebildet sein, wie zum Beispiel als Wasserstrahl. Auch mag weiterhin ein Gasstrahl verwendet werden, wie beispielsweise Wasserdampf. Auch eine beliebige Mischung der zuvor genannten Strahlarten mag Verwendung finden.
Pumpvorrichtung:
Als Pumpvorrichtung wird jedwede Vorrichtung verstanden, die es ermöglicht den Partikelstrahl zu beschleunigen, zu bewegen oder allgemein mit Energie beliebiger, bevorzugt mechanischer Art, zu versorgen bzw. bereit zu stellen. Dies mag einerseits durch eine mechanische und/oder elektrische Pumpe, beispielsweise eine Hochleistungs- bzw. Hochdruckpumpe (z. B. Betriebsdruck 500 bar), andererseits, abhängig von den physikalischen Eigenschaften des Partikelstrahls auch durch ein elektrisches oder magnetisches Feld, erfolgen.
Fokussierungsvorrichtung:
Eine Fokussierungsvorrichtung ist jedwede Vorrichtung, die geeignet ist, den Partikelstrahl definiert zu bündeln. Dies mag beispielsweise durch eine Düse erfolgen, z. B. Form 21 LL. Auch eine kombinierte Vorrichtung zum Segmentieren und Fokussieren mag denkbar sein.
Segmentierungsvorrichtung:
Eine Segmentierungsvorrichtung ist jedwede Vorrichtung, die geeignet ist, dem bis dato kontinuierlichen und/oder fokussierten Partikelstrahl eine definiert (sich wiederholend oder aber auch nicht) unterbrochene Ausgestaltung aufzuerlegen. Dies mag beispielsweise durch eine mobile Blende erfolgen, z. B. eine (sich drehende) Lochscheibe mit zumindest einer fixen oder veränderlichen Öffnung, ein Flügelrad oder ein klappbares Objekt, welche in den Partikelstrahlweg eingebracht werden mag und somit den Partikelstrahl durch temporäre Abschottung gegenüber dem zu beaufschlagenden Objekt abzuschirmen vermag.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die nachfolgenden Ausgestaltungen beschreiben die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf das Verfahren zur Simulation von Regenerosion am Objekt. Diese Erläuterungen greifen jedoch ebenso für die Vorrichtung zur Simulation von Regenerosion an einem Objekt sowie für die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Eine entsprechende Ausgestaltung mag ein einfaches und leicht zu realisierendes Erzeugen eines definierten, segmentierten Partikelstrahls ermöglichen. Insbesondere mögen die einzelnen Verfahrensschritte durch individuelle Abstimmung der einzelnen Vorrichtungen (Pumpvorrichtung, Fokussierungsvorrichtung, Segmentierungsvorrichtung) optimiert und individuell abgestimmt werden.
Insbesondere mag es hierbei auch ausgestaltungsabhängig möglich sein, die Abfolge der einzelnen Schritte, den Vorrichtungen zugehörig, zu variieren (z. B. Fokussierungsvorrichtung nach Segmentierungsvorrichtung) oder aber diese sogar mehrteilig auszuführen um beispielsweise ein mehrstufiges Fokussieren/Segmentieren durchzuführen, was hierbei auch intermittierend erfolgen mag.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mag das erfindungsgemäße Verfahren einen Partikelstrahl aufweisen, welcher Partikelstrahl ein Strahl ist aus der Gruppe bestehend aus Festkörperstrahl, Fluidstrahl, Flüssigkeitsstrahl, Gasstrahl und Wasserstrahl.
Ein entsprechend ausgestalteter Partikelstrahl mag es unkompliziert ermöglichen, das erfindungsgemäße Verfahren an geänderte Test-Rahmenbedingungen zu adaptieren bzw. veränderte Umgebungsbedingungen zu berücksichtigen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mag das Segmentieren des Partikelstrahls durch eine bewegliche Blende erfolgen.
Eine bewegliche Blende mag ein einfaches Segmentieren des Partikelstrahls ermöglichen. Als eine bewegliche Blende mag hierbei insbesondere ein klappendes bzw. sich zyklisch bewegendes oder oszillierendes Element verstanden werden, welches in definierten und insbesondere einstellbaren Intervallen in die Strahlbahn des Partikelstrahls gebracht bzw. aus dessen Bahn entfernt wird, und so den Partikelstrahl temporär unterbricht.
Als eine bewegliche Blende mag hierbei insbesondere auch ein sich drehendes Element verstanden werden, wie beispielsweise eine Lochscheibe, welches ausgebildet ist, eine Segmentierung des Partikelstrahls zu ermöglichen. Hierbei können unterschiedlich geartete Löcher bzw. Schlitze oder Öffnungen eingebracht sein, oder aber das Element mag beispielsweise die Form eines Flügelrades aufweisen. Auch ist ein feststehendes Element mit einer sich öffnenden bzw. schließenden Öffnung denkbar.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mag das Segmentieren des Partikelstrahls durch eine intervallweise gesteuerte Erzeugung erfolgen.
Hierunter mag beispielsweise eine entsprechend gesteuerte Pumpvorrichtung verstanden werden, die durch eine gesteuerte und/oder definierte, beispielsweise gepulste, Ansteuerung das Segmentieren des Partikelstrahls vornimmt.
Damit mag beispielsweise vermieden werden, dass ein kontinuierlicher Partikelstrahl nachträglich segmentiert werden muss (was im Weiteren bedeuten mag, dass jeweils ein Teil des kontinuierlichen Partikelstrahls „gefiltert” bzw. blockiert werden muss).
Durch die bereits intervallweise gesteuerte Erzeugung mag somit der Materialbedarf des Partikelstrahls reduziert werden und ein Beschleunigen nicht benötigten Materials vermieden werden. Hieraus mag auch ein verminderter Energiebedarf bei der Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens resultieren.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mag zumindest ein Parameter aus der Gruppe bestehend aus Fokussierungsvorrichtungsaustrittsquerschnitt, Geschwindigkeit des Partikelstrahls, Druck der Pumpvorrichtung, Partikelmenge, Expositionszeit der Beaufschlagung, Expositionswinkel der Beaufschlagung und Größe des segmentierten Partikelstrahls stufenlos definiert einstellbar sein.
Durch eine entsprechende Steuerung bzw. Regelung der zuvor genannten Parameter mag es möglich sein, eine beliebig definierte Ausgestaltung des Partikelstrahls zu erzielen, um somit eine Vielzahl von Simulationsparametern nachbilden zu können.
Eine entsprechende Ansteuerung der Parameter mag hierbei einzeln erfolgen, oder aber es mögen Werte gesteuert/geregelt werden, die auf mehrere Parameter rückwirken.
Die Steuerung/Regelung mag hierbei elektronisch erfolgen, beispielsweise mikroprozessorgesteuert oder zumindest integriert oder aber auch rein mechanisch, im Antrieb bzw. der mechanischen und/oder manuellen Einstellung einzelner Komponenten.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mag das definierte Beaufschlagen eines Objektes mit dem definierten segmentierten Partikelstrahl als ein Beaufschlagen aus der Gruppe bestehend aus Punktrasterbeaufschlagen, Bahnbeaufschlagen und Vorschädigen ausgebildet sein.
Ein entsprechend definiertes Beaufschlagen eines Objektes mag eine kontinuierliche, längerfristige automatisierte Simulation von Regenerosion ermöglichen, insbesondere mit einer stetig ansteigenden Expositionsintensität, so dass in einem Simulationsdurchlauf eine Mehrzahl unterschiedlicher Expositionsintensitäten simuliert werden mag. Somit mag die insgesamt benötigte Testdauer reduziert sowie die Qualität des Simulationsergebnisses erhöht werden. Ebenso mag die Reproduzierbarkeit der Testergebnisse gesteigert werden.
Im Weiteren wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf eine Vorrichtung zur Simulation von Regenerosion an einem Objekt beschrieben. Diese Erläuterungen greifen jedoch ebenso für das Verfahren zur Simulation von Regenerosion an einem Objekt sowie für die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung im erfindungsgemäßen Verfahren.
Ferner wird eine Vorrichtung geschaffen, aufweisend eine Halte- und Versatzvorrichtung, welche Halte- und Versatzvorrichtung derart eingerichtet ist, ein Objekt in der Bahn des definierten, segmentierten Partikelstrahls zu befestigen und definiert zu bewegen.
Eine entsprechende Halte- und Versatzvorrichtung mag beispielsweise ein xy-Tisch bzw. auch ein xyz-Tisch sein.
Bei derartigen „Tischen” ist ein definiertes, gesteuertes Bewegen bzw. Verfahren eines definiert befestigten Objektes entlang den angezeigten Achsen möglich. Ein xy-Tisch mag somit das Objekt in zwei Achsen und damit einer Ebene frei verfahren, ein xyz-Tisch mag dies in drei Ebenen, somit im dreidimensionalen Raum vornehmen.
Somit mag sich beispielsweise eine vollständige Simulationsserie bzw. -reihe ohne manuellen Eingriff von außen (z. B. über Nacht) durchführen lassen. Ebenso mag die Genauigkeit bzw. Reproduzierbarkeit der Simulationsergebnisse durch Verwendung einer beispielsweise elektronisch gesteuerten/geregelten Halte- und Versatzvorrichtung weiter erhöht werden.
Weitere Ausführungsbeispiele und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung.
Die Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den nachfolgenden Figuren dargestellt und im Weiteren näher erläutert. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich, mögen jedoch qualitative Größenverhältnisse anzeigen.
Gleiche oder ähnliche Komponenten in unterschiedlichen Figuren werden mit gleichen Bezugsziffern versehen.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Segmentierung eines Wasserstrahls gemäß eines exemplarischen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Darstellung der erosionsgefährdeten Stellen an einem Flugzeug;
3 eine schematische Darstellung von Erosion an einer IR-Linse^[1];
4 eine schematische Darstellung der Komprimierung von Wasser in einem Tropfen^[2];
5 eine schematische Darstellung der Wellenausbreitung nach einem Tropfenaufprall^[2];
6 eine schematische Darstellung von der Entstehung von Beschädigungen an bereits vorhandenen Rissen durch „schnelle Wasserstrahlen”^[2];
7 eine schematische Darstellung von Erosionsschäden auf Zinksulfid erzeugt durch Rayleighwellen^[2];
8 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Durchführung eines Tests am rotierenden Körper;
9 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Erzeugung eines Wasserstrahls^[3];
10 eine schematische Darstellung der Simulation eines Regentropfens durch einen Wasserstrahl^[3];
11 eine schematische Darstellung eines Teils einer Vorrichtung zur Segmentierung eines Wasserstrahls gemäß eines exemplarischen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
12 eine schematische Darstellung eines Tests mit Probenablauf im Punktrastermodus gemäß eines exemplarischen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
13 eine schematische Darstellung eines Tests mit Probenablauf im Bahnenmodus gemäß eines exemplarischen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
14 eine schematische Darstellung des flächigen Vorschädigens im Bahnenmodus gemäß eines exemplarischen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung 2 zur Segmentierung eines Wasserstrahls 10 gemäß eines exemplarischen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Hierbei wird ein fokussierter kontinuierlicher Wasserstrahl 13 erzeugt. Dies wird realisiert durch die Verwendung einer geeigneten Düse 11 (z. B. LL Form 21) und einer Hochdruckpumpe 18 (maximaler Betriebsdruck z. B. 500 bar).
Der fokussierte Wasserstrahl 10 wird unmittelbar nach seinem Austritt aus der Düse 11 durch eine rotierende Lochscheibe 12 in einzelne Strahlensegmente 13 segmentiert.
Dabei mag die geforderte Tröpfchengröße definiert eingestellt werden über den Düsenaustrittsquerschnitt. Die Geschwindigkeit des Wasserstrahls 10 mag stufenlos eingestellt werden durch den Einsatz der Hochdruckpumpe 18 (v[m/s] = √196,2·p[bar]).
Die Strahlensegmentlänge 14 wird geregelt über die Drehzahl der Lochscheibe 12 (schnellere Drehzahl = kürzere Strahlensegmentlänge) sowie über den Durchmesser der Öffnung 15 in der Lochscheibe 12 (kleinere Öffnung = kürzere Strahlensegmentlänge).
Bei diesem Verfahren mag die Strahlensegmentlänge 14 extrem kurz gehalten werden, wodurch der Aufprall der einzelnen Segmente 13 im Wesentlichen vollständig vergleichbar ist mit dem eines Tröpfchens.
Zur detaillierten Auswertung des Schadens an Beschichtungen und Grundwerkstoffen wird die Probe 17 auf einem xy-Tisch 16 befestigt. Dieser ermöglicht die nachfolgend unter Bezugnahmen auf die 12–14 beschriebenen Testverfahren.
In Prüfnormen gibt es zwei wichtige Parameter, die Tröpfchengröße (je nach Norm zwischen 0,8 und 2 mm) und die Geschwindigkeit (225 m/s – 650 m/s). Zusätzlich relevant mag die Regenintensität (oder Niederschlagsmenge) sowie die Testzeit sein.
Durch Einstellen der Strahlensegmentlänge 14 mag es möglich sein, eine realitätsnahe Schädigung und besser Vergleichbarkeit mit einem Regentropfen zu erzielen. Im Weiteren mögen beliebige Probengeometrien testbar sein (auch 3-D, z. B. Flügelvorderkanten), der Aufprallwinkel zwischen Probe und Tropfen mag stufenlos einstellbar sein, wie auch alle Parameter leicht und definiert einstellbar sein mögen (Geschwindigkeit, Tröpfchengröße, Strahlsegmentlänge, Niederschlagsmenge, Testzeit, Winkel).
2 zeigt eine schematische Darstellung der erosionsgefährdeten Stellen an einem Flugzeug 24. Hierbei besonders exponiert sind Stellen, die in Flugrichtung mit Regentropfen mit im Wesentlichen der aktuellen Fluggeschwindigkeit kollidieren, wie beispielsweise das Dome 21, die Flügelvorderkanten 22 sowie die Leitwerke 23.
3 zeigt eine schematische Darstellung von Erosion an einer IR-Linse 30. Die transparente Abdeckung 31 der IR-Linse 30 ist hierbei durch kontinuierliche Exposition von Erosion beschädigt bzw. zersplittert. Aufgrund der hohen Geschwindigkeiten während des Fluges (im Regelfall zwischen 225 m/s und 650 m/s) mögen Bauteile erodiert werden bis hin zum totalen Versagen einer Komponente.
4 zeigt eine schematische Darstellung der Komprimierung von Wasser in einem Tropfen 40.
Der Schaden aufgrund eines Tröpfchenaufpralls mag hierbei in zwei Stufen unterteilt werden: in einem ersten Schritt (Tröpfchenaufprall) wird ein hoher Impuls an das Bauteil 17 übertragen. Dabei wird der Tropfen 40 zuerst komprimiert wobei sehr hohe Drücke auftreten mögen. (Wasserhammerdruck bis zu 10 000 bar).
5 zeigt schematische Darstellung der Wellenausbreitung nach einem Tröpfchenaufprall.
Neben der Rayleigh Oberflächenwelle 50 treten zudem Scherwellen 51 sowie Kompressionswellen 52 im Bauteil 17 auf. Letztere mag zur Delamination zwischen der Grenzfläche von zwei Werkstoffen führen, die größere Unterschiede in den akustischen Eigenschaften aufweisen. Der Vorgang des Tröpfchenaufpralls läuft in kürzester Zeit ab (~10^–6 sec) und kann bereits ersten Schaden, beispielsweise Mikrorisse, der Schicht oder des Grundwerkstoff verursachen.
6 zeigt schematische Darstellung von der Entstehung von Beschädigungen an bereits vorhandenen Rissen durch „schnelle Wasserstrahlen”.
In dem nun folgenden zweiten Schritt platzt der Tropfen 40 zur Seite auf, aufgrund der fehlenden freien Fläche an den Kontaktpunkten zwischen Tropfen 40 und Oberfläche 60. In diesem Schritt entstehen laterale Wasserstrahlen 61 über die Oberfläche 60, die um ein vielfaches schneller sind als die Aufprallgeschwindigkeit des Tropfens 40.
Diese laterale Scherbeanspruchung mag dabei jegliches Material abtragen, welches eine Rauhigkeit von einigen Nanometern überschreitet. Dabei mögen Risse 62, die im ersten Schritt durch den Tröpfchenaufprall erzeugt wurden, aufgeweitet und das Material weiter abgetragen werden.
7 zeigt schematische Darstellung von Erosionsschäden auf Zinksulfid erzeugt durch Rayleighwellen 50.
7 zeigt hierbei ein typisches Schadensbild nach Tröpfchenaufschlag auf einem spröden Material (hier Zinksulfid). Insbesondere zeigt die Figur auf einer Kreislinie liegende Mikrorisse, die aufgrund der Tröpfchenkomprimierung an der Stelle des höchsten Drucks entstehen.
8 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Durchführung eines Tests am rotierenden Körper.
Ein mögliches Testverfahren ist der Test am rotierenden Arm. Hierbei werden die zu untersuchenden Materialien oder Schichten an der Außenseite eines Rotors angebracht oder auch ganze Bauteile an einem rotierenden System befestigt. Die Messobjekte werden dann in schnelle Drehung versetzt und bewegen sich dabei entweder durch ein künstlich erzeugtes Regenfeld oder durch einzelne Wasserstrahlen.
Bei dieser Methode können je nach Größe der Anlage Geschwindigkeiten von bis zu 1000 m/s erreicht werden. Der Platzbedarf ist stark von der gewünschten Geschwindigkeit und damit von der Dimension der Anlage abhängig.
Besonders gut ist dieses Verfahren geeignet zur Simulation von Erosion an Rotorblättern, da hier der Aufprall der Regentropfen auf einem rotierenden System am Realsten dargestellt werden kann.
In 8 dargestellt mag die Erosionssimulation durch Regen oder auch Sanderosion erfolgen.
9 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Erzeugung eines Wasserstrahls.
Ein Strahlensegment wird hierbei erzeugt, indem ein Projektil 90 auf eine mit Wasser 93 gefüllte Düse 95 trifft. Dadurch wird eine definierte Wassermenge in Form eines Strahls auf eine Probe 17 beschleunigt, die nach jedem dieser Impacts auf die resultierte Beschädigung analysiert wird.
Dem liegt zu Grunde, dass der Einschlag von Regentropfen durch den Einschlag von einem Wasserstrahl simuliert werden kann. Eine wichtige Voraussetzung dafür ist, dass es sich um einen kohärenten Wasserstrahl handelt, der zudem eine leicht gekrümmte Vorderseite besitzt.
Eine Möglichkeit einen solchen Strahl zu erzeugen zeigt 9. In einer Kammer 91 befindet sich Wasser 93, dass durch eine Neoprenschicht 94 abgedeckt ist. Trifft nun ein Projektil 90 auf diese Kammer 91 auf, so entweicht das Wasser 93 durch die Düse 95. Aufgrund einer speziellen Düsenform entsteht so ein stark kohärenter und abgerundeter Wasserstrahl.
10 zeigt eine schematische Darstellung der Simulation eines Regentropfens 40 durch einen Wasserstrahl 100.
Dieser Wasserstrahl 100 simuliert genau dann einen Tropfen 40, wenn die Geometrie an der Strahlspitze mit der Rundung eines Tropfens vergleichbar ist. Die inkompressiblen Anteile können vernachlässigt werden, da hier die Drücke entsprechend geringer sind.
Diese Näherung ist zulässig solange die Spitze des Strahls eine tropfenähnliche Rundung aufweist. Ein Strahlensegment kann während des Aufpralls einen ähnlichen Wasserhammerdruck auf das Bauteil 17 übertragen wie ein Wassertropfen. Zudem erzeugt ein Strahlensegment ähnlich wie ein Wassertropfen laterale Strahlen über das Bauteil 17 nach dem Aufplatzen der komprimierten Zone.
11 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils einer Vorrichtung zur Segmentierung eines Wasserstrahls gemäß eines exemplarischen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung
Auf einem Trägerelement 114 angebracht ist eine bewegliche Blende, hier dargestellt als drehbar gelagerte Lochscheibe 12. Angetrieben wird diese über eine Welle 110 durch einen Motor 113.
Denkbar mag an dieser Stelle auch eine andere Form des Antriebs, mit und ohne Welle, sein, wie beispielsweise ein rein mechanischer Antrieb oder aber auch ein hydraulischer bzw. pneumatischer Antrieb.
Die Drehzahl der Lochscheibe 12 wird eingestellt, beispielsweise über einen spannungsgeregelten Motor 113, der die Lochscheibe 12 über eine (nicht dargestellte) Kupplung und eine mit zwei Loslagern 112a, b geführte Welle 110 auf die gewünschte Umdrehungsgeschwindigkeit bringen mag. Eine Scheibenhalterung 111 mag die Befestigung unterschiedlicher Lochscheiben 12 ermöglichen.
Auch denkbar mag eine Ausgestaltung sein, bei der die zumindest Öffnung der Lochscheibe 12 in Größe und Form veränderbar ist (z. B. eine Iris). Hierdurch mag der Partikelstrahl 10, 13 dynamisch nachjustierbar sein oder aber die Segmentierung mag somit im Wesentlichen sogar ohne (Dreh-)Bewegung der Lochscheibe erfolgen.
Nicht näher dargestellte Sensoren sowie eine Steuer/Regelelektronik ermöglicht das Überwachen und nötigenfalls die Korrektur der eingestellten Regel/Steuerparameter, um die Erzeugung des gewünscht definierten, segmentierten Partikelstrahls 10, 13 sicherzustellen.
12 zeigt eine schematische Darstellung eines Tests mit Probenablauf im Punktraster gemäß eines exemplarischen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Ein bestimmter Punkt auf der Probe 17 wird über eine definierte Zeit mit einer definierten Menge von Strahlensegmenten 13 belastet.
Hierbei wird beim Testen von Erosionsschutzsystemen unter anderem die Homogenität des zu testenden Materials geprüft. Erosion beginnt immer an der schwächsten Stelle eines Systems und beginnt von dort an zu wachsen.
Betrachteten man die Charakterisierung der Erosionseigenschaften durch einen rotierenden Arm ist darauf zu achten, dass die Probe 17 keinerlei Fehlstellen vor dem Test aufweist, da diese die Lebensdauer der Probe 17 bestimmen.
Durch die Punkterastermethode kann eine Vielzahl von Stellen der Probe 17 mit der identischen Regentropfenmenge belastet werden, wodurch man am Testende einen Mittelwert mit dazugehöriger Fehlerabweichung zu berechnen vermag.
Der xy-Tisch ermöglicht u. a. die stufenlose Erhöhung der Testzeit, wodurch auch keine stetige Inspektion notwendig ist. In einer später nachvollziehbaren Anordnung (z. B. eine Reihe) wird eine definierte Anzahl an Punkten mit einer bestimmten Testzeit beaufschlagt. Anschließend wird an neuen Punkten mit erhöhter Testzeit geprüft.
Dadurch kann nach Ablauf des Probenprogramms die Probe 17 aus dem Versuchsstand entnommen werden und mit den gängigen Charakterisierungsmethoden (z. B. Lichtmikroskop, REM, AFM, XPS) analysiert werden. Die maximale Regenerosionsbelastung mag durch dieses Verfahren ebenso ermittelt werden, als wie der Versagensmechanismus eines Materials.
13 zeigt eine schematische Darstellung eines Tests mit Probenablauf im Bahnenmodus gemäß eines exemplarischen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Hierbei wird das Bewegen der Probe 17 in Bahnen mit unterschiedlichen Bahngeschwindigkeiten ermöglicht. Dadurch mag die schwächste Stelle auf der jeweiligen Bahn identifiziert werden. Durch stetiges Erhöhen der Anzahl der Bahnen kann der Erosionsfortschritt sowie die Erosionsmechanismen untersucht werden.
14 zeigt eine schematische Darstellung des flächigen Vorschädigens im Bahnenmodus gemäß eines exemplarischen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Erosionsbelastete Strukturen haben meist neben der Erosionsbelastung eine zusätzliche Funktion wie beispielsweise Transparenz, niedriger Reibwert, Verhindern von Schmutz- und Eisanhaftung etc.
Hierbei mag es von Interesse sein, die Oberfläche des Bauteils bis zu einem bestimmten Grad definiert zu schädigen um im Anschluss festzustellen ab welcher Regenbelastung die Hauptfunktion des Bauteils nicht mehr ausgeführt werden mag.
Für diese Fragestellungen wird die Probe 17 mittels des xy-Tisches flächig deckend mit den Strahlensegmenten abgerastert.

[1] A. A. Fyall and R. B. King: Proceedings of the Fourth International Conference an Rain Erosion and Associated Phenomena, 8–10 May 1974, Vol. 1
[2] M. J. Jackson and J. E. Field: Modelling liquid impact facture thresholds in brittle materials, British ceramic transactions 2000 Vol. 99 No. 1
[3] R. J. Hand, J. E. Field, and D. Townsend: The use of liquid jets to simulate angled drop impact, 1991

Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zur Simulation von Regenerosion an einem Objekt
2: Erzeugungsvorrichtung zum Erzeugen eines definierten, segmentierten Partikelstrahls
10: kontinuierlicher Partikelstrahl/Wasserstrahl
11: Fokussierungsvorrichtung/Düse
12: Segmentierungsvorrichtung/Lochscheibe
13: definierter, segmentierter Partikelstrahl/Wasserstrahl
14: Strahlensegmentlänge
15: Öffnung
16: xy-Tisch
17: Bauteil/Probe
18: Pumpvorrichtung
21: Dome
22: Flügelvorderkante
23: Leitwerke
24: Flugzeug
30: IR-Linse
31: transparente Abdeckung
40: Tropfen
50: Rayleigh Oberflächenwelle
51: Scherwelle
52: Kompressionswelle
60: Oberfläche
61: Wasserstrahlen
62: Riss
90: Projektil
91: Kammer
93: Wasser
94: Neoprenschicht
95: Düse
100: Wasserstrahl
110: Welle
111: Scheibenhalterung
112a, b: Lagerung
113: Motor
114: Trägerelement

Claims

Verfahren zur Simulation von Regenerosion an einem Objekt (17), aufweisend die folgenden Schritte: Erzeugen eines kontinuierlichen Partikelstrahls (10) durch eine Pumpvorrichtung (18); Fokussieren des kontinuierlichen Partikelstrahls (10) durch eine Fokussierungsvorrichtung (11); Segmentieren des kontinuierlichen Partikelstrahls (10) durch eine Segmentierungsvorrichtung (12), wobei die Strahlsegmentlänge (14) stufenlos einstellbar ist, um einen definierten, segmentierten Partikelstrahl (13) zu erzeugen; und Definiertes Beaufschlagen des Objektes (17) mit dem definierten, segmentierten Partikelstrahl (13), wobei der Partikelstrahl (13) ein Fluidstrahl (13) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Partikelstrahl (10, 13) ein Strahl ist aus der Gruppe bestehend aus Flüssigkeitsstrahl, Gasstrahl und Wasserstrahl.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Segmentieren des Partikelstrahls (10) durch eine bewegliche Blende (12) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei das Segmentieren des Partikelstrahls (10, 13) durch eine intervallweise gesteuerte Erzeugung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Parameter aus der Gruppe bestehend aus Fokussierungsvorrichtungsaustrittsquerschnitt, Geschwindigkeit des Partikelstrahls (10, 13), Druck der Pumpvorrichtung (18), Partikelmenge, Expositionszeit der Beaufschlagung, Expositionswinkel der Beaufschlagung und Größe des segmentierten Partikelstrahls stufenlos definiert eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das definierte Beaufschlagen eines Objektes (17) mit dem definierten, segmentierten Partikelstrahl (13) als ein Beaufschlagen aus der Gruppe bestehend aus Punktraster-Beaufschlagen, Bahn-Beaufschlagen und Vorschädigen ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) zur Simulation von Regenerosion an einem Objekt (17), aufweisend eine Erzeugungsvorrichtung (2) zum Erzeugen eines definierten, segmentierten Partikelstrahls (13) aufweisend eine Pumpvorrichtung (18) zum Erzeugen eines kontinuierlichen Partikelstrahls (10); eine Fokussierungsvorrichtung (11) zum Fokussieren des kontinuierlichen Partikelstrahls (10); eine Segmentierungsvorrichtung (12) zum Segmentieren des kontinuierlichen Partikelstrahls (10), wobei die Strahlsegmentlänge (14) stufenlos definiert einstellbar ist, wobei die Vorrichtung (1) derart eingerichtet ist, ein Objekt (17) mit dem definierten, segmentierten Partikelstrahl (13) definiert zu beaufschlagen, und wobei der Partikelstrahl (13) ein Fluidstrahl (13) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, weiterhin aufweisend eine Halte- und Versatzvorrichtung (16), welche dazu derart eingerichtet ist, ein Objekt (17) in der Bahn des definierten, segmentierten Partikelstrahls (13) zu befestigen und definiert zu bewegen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 8, wobei zumindest ein Parameter aus der Gruppe bestehend aus Fokussierungsvorrichtungsaustrittsquerschnitt, Geschwindigkeit des Partikelstrahls (10, 13), Druck der Pumpvorrichtung (18), Partikelmenge, Expositionszeit der Beaufschlagung, Expositionswinkel der Beaufschlagung und Größe des segmentierten Partikelstrahls stufenlos definiert einstellbar ist.
Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9 in einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Simulation von Regenerosion.