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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen von Fan-Schaufeln eines Fan-Schaufelkranzes eines Flugtriebwerks.
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Stand der Technik
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Funktional gliedert sich ein Flugtriebwerk in Verdichter, Brennkammer und Turbine. Dabei wird angesaugte Luft vom Verdichter komprimiert und in der nachgelagerten Brennkammer mit hinzugemischtem Kerosin verbrannt. Das entstehende Heißgas, eine Mischung aus Verbrennungsgas und Luft, durchströmt die nachgelagerte Turbine und wird dabei expandiert. Mit der hierbei gewonnenen kinetischen Energie wird der Verdichter und bei einem Mantelstromtriebwerk anteilig auch der Fan-Schaufelkranz angetrieben. Dessen Fan-Schaufeln können im Betrieb einer Beschädigungsgefahr ausgesetzt sein, etwa durch angesaugte Vögel, also sogenannten „Vogelschlag“.
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Darstellung der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein vorteilhaftes Verfahren zum Prüfen von Fan-Schaufeln anzugeben.
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Dies wird erfindungsgemäß mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Dabei werden die FanSchaufeln des in das Flugtriebwerk eingebauten Fan-Schaufelkranzes mit einer berührungslosen Abstandsmessung vermessen, muss der Schaufelkranz also nicht extra ausgebaut werden. Mit der Abstandsmessung wird jeweils ein Abstand zwischen der jeweiligen Fan-Schaufel und dem Abstandsmessgerät ermittelt, wobei die jeweilige Fan-Schaufel anhand des jeweiligen Abstands auf
- - einen etwaigen Axial-Verformungsanteil und/oder
- - einen etwaigen Umlauf-Verformungsanteil überprüft wird.
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Kommt es im Betrieb zu einem Einschlag, insbesondere Vogelschlag, kann eine oder können auch mehrere Fan-Schaufeln verformt werden. Kritisch kann dabei nicht nur sein, wenn aus dem Einschlag unmittelbar ein Schaufelbruch resultiert, sondern können bereits auch Verformungen sein, wenn also die entsprechende Fan-Schaufel axial bzw. in Umlaufrichtung verformt wird. Solche Verformungen können mitunter so klein sein, dass sie bei einer Sichtkontrolle nicht erkannt werden, dennoch können sie z. B. zu Anrissen oder Verschiebungen der Eigenfrequenzen im Betrieb führen. Ein tatsächliches Schaufelversagen tritt dann mitunter erst nach einer gewissen Betriebszeit ein, kann dann aber zu schwerwiegenden Schäden am Triebwerk führen. Mit der berührungslosen Entfernungsmessung und der Ermittlung des etwaigen Axial- und/oder Umlauf-Verformungsanteils können solche Verformungen festgestellt werden, auch wenn sie bspw. nur im Millimeterbereich liegen, und kann entsprechenden Folgeschäden vorgebeugt werden. Da die Messung am Triebwerk erfolgt, lässt sich das Verfahren integrieren, also z. B. auch außerhalb regulärer Wartungsintervalle regelmäßig durchführen.
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Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der gesamten Offenbarung und insbesondere der abhängigen Ansprüche. Dabei wird in der Darstellung der Merkmale nicht immer im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden; jedenfalls implizit ist die Offenbarung stets sowohl auf das Verfahren als auch hinsichtlich eines dazu eingerichteten Abstandsmesssystems bzw. entsprechender Verwendungen zu lesen. Wird bspw. ein für eine bestimmte Messmethode geeignetes Abstandsmesssystem beschrieben, ist dies auch als Offenbarung eines entsprechenden Messverfahrens zu verstehen, und umgekehrt.
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Die Angaben „axial“, „radial“ und „umlaufend“ bzw. „Umlauf“, sowie die zugehörigen Richtungen (Axialrichtung etc.), beziehen sich im Rahmen dieser Offenbarung auf die Längsachse des Flugtriebwerks, um welche im Betrieb bspw. der Fan-Schaufelkranz rotiert. Dieser kann bspw. drehsymmetrisch um die Längsachse sein. Mit dem „Axial-Verformungsanteil“ wird bspw. eine Verformung nach axial hinten erfasst, also zum Kerntriebwerk hin. Mit dem „Umlauf-Verformungsanteil“ wird eine Verformung in Umlaufrichtung erfasst, also bspw. einen Versatz zur benachbarten Fan-Schaufel hin bzw. von dieser weg. Die Bezugnahme auf eine „etwaige“ Verformung meint, dass eine solche nicht zwingend vorliegen muss, im Zuge einer regelmäßigen Revision kann bspw. auch vielfach keine Verformung festgestellt werden. Wird jedoch ein Axial- und/oder Umlauf-Verformungsanteil festgestellt, kann die Maschine bzw. das Triebwerk bspw. für eine weitere Detailuntersuchung ausgeschleust werden.
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Die berührungslose Abstandsmessung kann eine vergleichsweise hohe Genauigkeit erlauben, etwa verglichen mit einem bildgebenden Verfahren. Sie kann z. B. als Signallaufzeit-Messung (Time of Flight) durchgeführt werden, insbesondere mit einem Laser. Dabei wird von einer Emittereinheit des Abstandsmessgerätes ein Messpuls emittiert (insbesondere Laserpuls), der auf die jeweilige Fan-Schaufel fällt und von dort reflektiert wird, wobei der entsprechende Echopuls mit einer Detektoreinheit des Abstandsmessgeräts erfasst wird. Aus dem Zeitversatz zwischen Emission des Pulses und Detektion des Echopulses kann die Laufzeit und damit der Abstand bestimmt werden, etwa im Falle des Lasers über die Lichtgeschwindigkeit. Im Allgemeinen kann die Messung auch von axial hinten vorgenommen werden, sodass die Pulse an den Rückseitenflächen der Fan-Schaufeln reflektiert werden (das Abstandsmessgerät kann dazu bspw. im Nebenstromkanal platziert werden bzw. sein). Bevorzugt erfolgt die Messung jedoch von axial vorne, werden die Pulse also an den Vorderseitenflächen der Fan-Schaufeln reflektiert, was z. B. die aus einem Einschlag von vorne resultierende Verformung gut abbilden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird bei einer jeweiligen Fan-Schaufel ein jeweiliges Abstandsprofil aufgenommen. Es wird also kein einzelner diskreter Abstandswert, sondern werden entlang einer Linie über das Schaufelblatt eine Vielzahl Abstandswerte ermittelt, was bspw. die Vergleichbarkeit der Daten der einzelnen Fan-Schaufeln untereinander verbessern kann. Die Linie, entlang welcher das Abstandsprofil genommen wird, ist in der Regel keine Gerade, sie kann bereits für sich bzw. auch dem Querschnittsprofil der jeweiligen Fan-Schaufel entsprechend gekrümmt sein.
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In bevorzugter Ausgestaltung verläuft die Linie, entlang welcher das Abstandsprofil der jeweiligen Fan-Schaufel genommen wird, in Umlaufrichtung. Damit kann z. B. sowohl ein Axial- als auch ein Umlauf-Verformungsanteil bestimmt werden, Letzteres insbesondere auch aus der Lage der Vorderkante (bei der Messung von axial vorne). Über das jeweilige Schaufelblatt hinweg kann das jeweilige Abstandsprofil dessen Querschnittsform wiedergeben, wobei an der Vorderkante (Messung von axial vorne) oder an der Hinterkante (Messung von axial hinten) der Abstand nach Art einer Stufenfunktion ansteigt (die Reflexion erfolgt dann z. B. bereits am benachbarten Schaufelblatt). Liegen die einzelnen Stufen bspw. nicht äquidistant zueinander, kann dies einen Umlauf-Verformungsanteil anzeigen. Alternativ oder zusätzlich kann ein im Vergleich zu den benachbarten Schaufelblättern über das gesamte Abstandsprofil abweichender Abstand einen Axial-Verformungsanteil anzeigen, also bei einer Messung von vorne bspw. ein größerer Abstand eine Verformung nach hinten.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der Abstand bzw. das Abstandsprofil in der radial äußeren Hälfte des Schaufelblatts genommen, vorzugsweise in den radial äußeren 30 %. Bezogen auf eine von radial innen (0 %) nach radial außen (100 %) genommene Erstreckung des jeweiligen Schaufelblatts wird der Abstand dann also zwischen 70 % und 100 %, bevorzugt zwischen 80 % und 100 % oder 90 % und 100 % der radialen Erstreckung genommen. Die Schaufelblätter können z. B. aus strukturmechanischen Gründen radial außen dünner sein, weswegen ein Einschlag außen kritischer bzw. die resultierende Verformung größer sein kann.
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In bevorzugter Ausgestaltung wird das bzw. werden die Abstandsprofile durch einen Relativvergleich ausgewertet, besonders bevorzugt in Form einer zusammenhängenden Kurve. Aufgrund der vorstehend geschilderten Stufen am Übergang zwischen den einzelnen Schaufelblättern kann diese bspw. einen sägezahnartigen Verlauf haben („Sägezahnkurve“). Der Umlauf-Verformungsanteil kann dann bspw. über den Abstand zwischen den einzelnen Zähnen ermittelt werden, der Axial-Verformungsanteil hingegen über die Zahnhöhe.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird mit einem Messstrahl des Abstandsmessgeräts, entlang welchem dieses z. B. Messpulse emittiert, über die Fan-Schaufeln bzw. den Fan-Schaufelkranz hinweg eine Kreisform abgetastet. Der Begriff „Messstrahl“ soll dabei keine dauerhafte Emission implizieren, sondern stellt eine geometrische Linie dar, entlang welcher bspw. im Betrieb die Pulse emittiert werden. Dieser Messstrahl bzw. sein Auftreffpunkt auf das jeweilige Schaufelblatt beschreibt zumindest abschnittsweise eine Kreisform, vorzugsweise eine in sich geschlossene Kreisform über den Fan-Schaufelkranz hinweg.
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Zum Abtasten der Kreisform wird gemäß einer bevorzugten Variante der Messstrahl bewegt, also in einem ortsfesten Koordinatensystem betrachtet über den Fan-Schaufelkranz hinweg ausgelenkt. Dies kann bspw. über Spiegel und/oder durch entsprechendes Verkippen des Abstandsmessgeräts erfolgen. Alternativ oder auch in Kombination damit kann der Fan-Schaufelkranz im ortsfesten Koordinatensystem betrachtet bewegt werden, kann er also gewissermaßen unter dem Messstrahl hinweg rotieren. Bevorzugt kann der Messstrahl hierbei ruhen, sodass sich das Abtasten allein infolge der Rotation ergibt. Dies kann insbesondere bei einem Triebwerk mit Eintritts-Leitgitter von Vorteil sein, weil sich somit trotzdem der gesamte Fan-Schaufelkranz erfassen lässt. Das „ortsfeste Koordinatensystem“ ist jenes des Flugzeugs (das also bspw. bei einer Messung im Flug auch seinerseits bewegt werden kann, global betrachtet).
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform fällt der Messstrahl der Abstandsmesseinheit verkippt auf die Fan-Schaufeln, schließt er also mit der Axialrichtung einen Winkel ein. Bevorzugt hat diese Verkippung dabei zumindest nicht ausschließlich einen Radial-, sondern zumindest anteilig auch einen Anteil in Umlaufrichtung. Betrachtet man bspw. Einheitsvektoren, kann ein Differenzvektor zwischen Messstrahl und Axialrichtung anteilig oder auch vollständig in Umlaufrichtung liegen. Bildlich gesprochen kann der Messstrahl infolge der Verkippung, je nach Vorzeichen, steiler oder flacher auf die Schaufelblätter fallen, in letzterem Fall also bspw. auch weiter zwischen die Schaufelblätter hinein. Damit kann, je nach Vorzeichen der Verkippung, die Messung vorrangig den Axial- oder den Umlauf-Verformungsanteil erfassen, wobei sich der jeweilig andere Anteil nahezu ausblenden lässt. Bezogen auf die vorstehend diskutierte Sägezahnkurve kann also bspw. entweder der Effekt der Zahnhöhe oder jener der Teilung verstärkt abgebildet werden, was die Messung noch empfindlicher machen kann. In einer Messsequenz kann bspw. auch nacheinander mit unterschiedlichen Verkippungen gemessen werden.
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Die Erfindung betrifft auch ein Abstandsmesssystem, das zusätzlich zu Flugtriebwerk und Abstandsmessgerät eine Steuereinheit aufweist. Mit dieser kann das Abstandsmessgerät angesteuert und ausgelesen werden, sie erfüllt also auch die Funktionen einer Auswerteeinheit. Die Ansteuer- und die Auswerte-Funktion können dabei im selben Gerät oder Baustein (z. B. einem Mikrocontroller oder ASIC) erfolgen, sie können aber bspw. auch auf unterschiedliche Bausteine oder sogar Geräte aufgeteilt sein. Die Steuereinheit kann bspw. auch Teil eines komplexeren Systems sein, etwa im Falle einer Integration in das Flugzeug funktionaler Teil von dessen Bordcomputer. Unabhängig von diesen Details ist die Steuereinheit bzw. das Abstandsmesssystem zur Durchführung eines vorliegend offenbarten Verfahrens eingerichtet, sind also bspw. in der Steuereinheit entsprechende Befehle hinterlegt, die die Durchführung einer entsprechenden Mess- und Auswertesequenz veranlassen.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Flugzeug mit einem Abstandsmesssystem, wobei das Abstandsmessgerät in das Flugzeug integriert ist. Es kann bspw. in den Flügel oder auch den Rumpf eingelassen sein, je nach Position des Flugtriebwerks. Es kann aber auch in das Flugtriebwerk selbst, insbesondere in dessen Gehäuse integriert sein, bspw. im Einlauf (z. B. möglichst am Rand) vor dem Fan-Schaufelkranz oder im Nebenstromkanal dahinter sitzen. Damit kann bspw. auch bei Triebwerken eine Verformungsmessung möglich sein, deren Fan-Schaufelkranz schlecht zugänglich ist (nicht von außen sichtbar). Bevorzugt ist das Abstandsmessgerät bzw. dessen Emitter möglichst flach in die Oberfläche eingelassen bzw. versenkt.
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Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines Abstandsmessgeräts in einem vorliegend offenbarten Verfahren bzw. dem entsprechenden Abstandsmesssystem oder Flugzeug. Im Falle der Integration in das Flugzeug kann die Messung bspw. auch während des Startens oder Auslaufen des Triebwerks erfolgen, oder auch im Leerlauf, insbesondere auch im Betrieb, während also das Triebwerk zur Schuberzeugung genutzt wird.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann ein Anlasser (elektrisch oder Luftstarter) benutzt werden, um die Fanschaufeln unter dem Messstrahl in einer Relativbewegung hinwegzudrehen oder das Triebwerk kann durch eine externe Kurbeleinrichtung bspw. manuell oder elektrisch angekurbelt werden.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.
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Im Einzelnen zeigt
- 1 ein Flugtriebwerk mit einem Fan-Schaufelkranz in einem Axialschnitt;
- 2 den Fan-Schaufelkranz des Flugtriebwerks gemäß 1 mit einem Abstandsmessgerät;
- 3 schematisch eine aus der Abstandsmessung an den Fan-Schaufeln gewonnene Abstandskurve;
- 4 verschiedene Möglichkeiten zur Abstands- bzw. ab Abstandsprofilmessung.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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1 zeigt ein Flugtriebwerk 1 in einem schematischen Axialschnitt. Dieses gliedert sich funktional in Verdichter 2, Brennkammer 3 und Turbine 4. Im Verdichter 2 wird die angesaugte Luft komprimiert, und sie wird dann in der nachgelagerten Brennkammer 3 mit hinzugemischtem Kerosin verbrannt. Das entstehende Heißgas wird in der Turbine 4 expandiert und treibt deren Rotoren an. Mit dieser kinetischen Energie wird auch der Fan-Schaufelkranz 20 angetrieben, der eine Mehrzahl Fan-Schaufeln 6 aufweist. Diese erzeugen im Betrieb einen durch das Kerntriebwerk geführten Primärstrom 7.1 und zur Vorschuberzeugung einen Sekundärstrom 7.2 (Mantelstrom). Wird bspw. während des Starts oder der Landung ein Vogel angesaugt, kann dies einen Schlag auf eine Fan-Schaufel 6 ergeben.
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2 zeigt den Fan-Schaufelkranz 20 mit den Fan-Schaufeln 6 in einer schematischen Aufsicht. Ferner ist ein Abstandsmessgerät 25 dargestellt, welches axial vor dem Fan-Schaufelkranz 20 platziert ist, aus darstellungstechnischen Gründen aber links davon gezeichnet ist. Mit dem Abstandsmessgerät 25 kann durch berührungslose Abstandsmessung für eine jeweilige Fan-Schaufel 6.1 ein jeweiliger Abstand 26.1 ermittelt werden, also ihr Abstand vom Abstandsmessgerät 25. Schematisch ist ferner eine Steuereinheit 31 des Abstandsmessgeräts 25 gezeigt (beide sind Teil eines Abstandsmesssystems 21), die der Ansteuerung und/oder Auswertung dient (und anders als schematisch dargestellt auch als integraler Teil des Abstandsmessgeräts 25 ausgeführt sein kann).
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Wie nachstehend im Einzelnen gezeigt, werden die Abstände als Abstandsprofile bzw. in Form einer zusammenhängenden Kurve ausgewertet. Dazu wird mit einem Messstrahl des Abstandsmessgeräts 25 über den Fan-Schaufelkranz 20 hinweg eine Kreisform 28 abgetastet, wird also die jeweilige Fan-Schaufel 6.1 entlang einer jeweiligen Linie 28.1 abgetastet. Die Fan-Schaufeln 6 werden dabei jeweils relativ weit radial außen vermessen, nämlich bezogen auf eine von radial innen nach radial außen genommene Erstreckung 32 eines jeweiligen Fan-Schaufelblatts 33 in den äußeren 30 %, insbesondere in den äußeren 20 % oder äußeren 10 %.
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3 zeigt in schematischer Darstellung eine Abstandskurve 30, die aus dem Abtasten der Kreisform 28 resultiert. Dabei entspricht die X-Achse der Umlaufrichtung und gibt die Y-Achse den jeweilig gemessenen Abstand 26.1 wieder, der jeweils als Abstandsprofil 36.1 erfasst wird. Zu erkennen sind ferner einerseits Stufen 38, wobei ein entlang der X-Achse genommener Abstand zwischen den Stufen 38 der Teilung des Fan-Schaufelkranzes 20 entspricht. Zeigt sich bei den Stufen 38 ein Versatz (strichliert dargestellt), zeigt dies einen Umlauf-Verformungsanteil 40 in Umlaufrichtung an (in 2 bezeichnet das Bezugszeichen 29 die Umlaufrichtung). Ferner können die Zähne 39 auch hinsichtlich ihrer Höhe verglichen werden, also bezüglich der Position auf der Y-Achse. Ein Versatz in dieser Richtung zeigt einen Axial-Verformungsanteil 41 an (ebenfalls strichliert dargestellt).
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4 zeigt einen Ausschnitt des Fan-Schaufelkranzes 20 in einer zur Längsachse 8 radialen Blickrichtung, also gewissermaßen einer radialen Aufsicht. In dieser ist die Krümmung der Fan-Schaufeln 6 zu erkennen. Ferner ist wiederum das Abstandsmessgerät 25 dargestellt, wobei der Messstrahl 27, entlang welchem die Messpulse 45 emittiert werden, verkippt auf die Fan-Schaufeln 6 fällt, nämlich einen Anteil 46 in Umlaufrichtung 29 hat. Dadurch kann bspw. der Effekt der Zahnhöhe verstärkt werden, wohingegen bei einer Verkippung mit anderem Vorzeichen (strichliert dargestellt) der Effekt der Teilung verstärkt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Flugtriebwerk
- 2
- Verdichter
- 3
- Brennkammer
- 4
- Turbine
- 5
- Fan
- 6
- Fan-Schaufeln
- 6.1
- jeweilige Fan-Schaufel
- 7.1
- Primärstrom
- 7.2
- Sekundärstrom (Mantelstrom)
- 8
- Längsachse
- 20
- Fan-Schaufelkranz
- 21
- Abstandsmesssystem
- 25
- Abstandsmessgerät
- 26.1
- jeweiliger Abstand
- 27
- Messstrahl
- 28
- Kreisform
- 28.1
- jeweilige Linie
- 29
- Umlaufrichtung
- 30
- Abstandskurve
- 31
- Steuereinheit
- 32
- Erstreckung
- 33
- jeweiliges Fan-Schaufelblatt
- 36.1
- jeweiliges Abstandsprofil
- 38
- Stufen
- 39
- Zähne
- 40
- Umlauf-Verformungsanteil
- 41
- Axial-Verformungsanteil
- 45
- Messpulse
- 46
- Anteil
