WO2009074514A1

WO2009074514A1 - Prüfmethode zur simulation von regenerosion

Info

Publication number: WO2009074514A1
Application number: PCT/EP2008/066864
Authority: WO
Inventors: Matthias Grundwürmer; Norbert Schupp; Jürgen Wehr
Original assignee: Eads Deutschland Gmbh
Priority date: 2007-12-13
Filing date: 2008-12-05
Publication date: 2009-06-18
Also published as: DE102007060511B4; DE102007060511A1

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Simulation von Regenerosion an einem Objekt (17), mit volgende Schritte: Erzeugen eines definierten, segmentierten Partikelstrahls (13) wobei ein kontinuierlichen Partikelstrahls (10) durch eine bewegliche Blende (12) segmentiert ist und Definiertes Beaufschlagen des Objektes (17) mit dem definierten, segmentierten Partikelstrahl (13).

Description

PRUFMETHODE ZUR SIMULATION VON REGENEROSION

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 Flüge!, 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, Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Simulation von Regenerosion an einem Projekt 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 einem exemplarischen Ausführungεbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Simulation von Regenerosion an einem Objekt geschaffen, aufweisend die Schritte Erzeugen eines definierten, segmentierten Partikelstrahls und definiertes Beaufschlagen des Objektes mit dem definierten, segmentierten Partikelstrahl.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich hierbei durch eine einfache und definiert kontrollierte Methode zur Simulation von Regenerosion an einem Objekt auf, weiches sich auch in kleinem Maßstab bzw. mit überschaubarem Platzaufwand realisieren lässt Zudem ist eine hohe Wiederholbarkeit des Verfahrens gewährleistet.

Gemäß einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Simulation von Regenerosion an einem Objekt geschaffen, welche Vorrichtung eine Erzeugungsvorrichtung zum Erzeugen eines definierten, segmentierten Partikelstrahls aufweist, wobei die Vorrichtung derart eingerichtet ist, ein Objekt mit dem definierten, segmentierten Partikelstrahl definiert zu beaufschlagen. Gemäß einem weiteren exemplarischen Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird die Verwendung einer erfindungsgemaßen Vorrichtung in dem erfindungsgemaßen Verfahren angezeigt

im Rahmen der vorhegenden Erfindung werden die nachfolgenden Definitionen verwendet

Partikelstrahl

Als Partikeistrah! wird jedweder Strahl bzw Strom oder Fluss von Partikeln,

Teilchen, Molekülen oder Atomen (und deren Bestandteilen) verstanden, der eine hinreichend definierte Form anzunehmen vetmag Der Partikelstrahl mag hierbei aus Festkorperteiichen bestehen, wie beispielsweise Sand oder anderen geeigneten Feststoffen, odei aber mag auch als Flussigkeitsstrahl ausgebildet sein, wie zum Beispiel als Wasserstrahl Auch mag weiterhin esn Gasstrahl verwendet werden, wie beispielsweise Wasserdampf Auch eine beliebige Mischung der zuvor genannten Strahlarten mag Verwendung finden

Pumpvornchtung

Ais Pumpvornchtung wnd jedwede Vorrichtung verstanden, die es eimoghcht den Partikelstrahl zu beschleunigen zu bewegen oder allgemein mit Energie beliebiger, bevorzugt mechanischei Art, zu vetsorgen bzw bereit zu stellen Dies mag einerseits duich eine mechanische und/oder elekti sche Pumpe beispielsweise eine Hochieistungs- bzw Hochdi uckpumpe (z B Betπebsdruck 500bar), andereiseits, abhangig von den physikalischen Eigenschaften des Partikclstiahls auch durch ein elektisches oder magnetisches Feld erfolgen Fokussierungsvorπchtung

Eine Fokussierungsvorπchtung ist jedwede Vorrichtung, die geeignet ist, den Partikelstrahl definiert zu bundein 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 fokussterten Partikeistrahl 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, weiche in den Partikelstrahlweg eingebracht werden mag und somit den Partikeistrahl durch temporare 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 Verfahien zur Simulation von Regenet osion am Objekt Diese Fi lautet ungen gieifen jedoch ebenso für die Vorrichtung zui Simulation von Regenerosion an einem Objekt sowie fui die Verwendung einei eifindungsgemaßen Voπichtung in dem erfindungsgemaßen Verfahien

Gemäß einei bevorzugten Ausgestaltung der voi hegenden Erfindung mag das Erzeugen des definierten, segmentierten Partikelstiahls die Schutte aufweisen Erzeugen eines kontinuierlichen Partikelstrahls durch eine Pumpvorrichtung, Fokussieren des kontinuierlichen Partikeistrahls durch eine Fokussierungsvorrichtung und Segmentieren des kontinuierlichen Partikelstrahls durch eine Segmentierungsvorrichtung.

Eine entsprechende Ausgestaltung mag ein einfaches und leicht zu realisierendes Erzeugen eines definierten, segmentierten Partikelstrahls ermöglichen, insbesondere mögen die einzelnen Vertan renssch ritte durch individuelle Abstimmung der einzelnen Vorrichtungen (Pumpvorrichtung, Fokussierungsvorrichtung, Segmen- tierungsvorrichtung) optimiert und individueil abgestimmt werden.

Insbesondere mag es hierbei auch ausgestaitungsabhängig mögiich 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 Partikelstrahi aufweisen, welcher Partikelstrahl ein Strahl ist aus der Gruppe bestehend aus Festkörperstrahi, 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 Ais eine bewegliche Blende mag hierbei insbesondere ein klappendes bzw sich zyklisch bewegendes oder oszillierendes Element 5 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 temporar unterbricht

Als eine bewegliche Blende mag hierbei insbesondere auch ein sich drehendes 10 Element verstanden werden, wie beispielsweise eine Lochscheibe, welches ausgebildet ist, eine Segmentierung des Partikelstrahls zu ermöglichen Hierbei können unterschiedlich geartete Locher bzw Schlitze oder Offnungen eingeblacht sein, oder aber das Element mag beispielsweise die Form eines Flügelrades aufweisen Auch ist ein feststehendes Element mit einer sich öffnenden bzw i s schließenden Öffnung denkbar

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mag das Segmentieren des Partikelstrahls durch eine mtervallweise gesteuerte Erzeugung erfolgen

Hier unter mag beispielsweise eine entsprechend gesteuerte Pumpvoi nchtung verstanden weiden, die duich eine gesteuerte und/oder definierte, beispielsweise gepulste, Ansteuei ung das Segmentieren des Partikelstrahls vos nimmt

?^<> Damit mag beispielsweise vermieden weiden, dass ein kontinuiei hchei

Partikelstrahl nachträglich segmentiert werden muss (was im Weiteren bedeuten mag dass jeweils ein Teil des kontinuierlichen Partikeistiahis „gefiltert" bzw blockiert weiden 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 Fokussierungsvomchtungsaustrittsquerschnitt, Geschwindigkeit des Partikelstrahls, Druck der Pumpvorrichtung, Strahlsegmentlänge, Partikelmenge, Expositionszeit der Beaufschlagung, Expositionswinkel der Beaufschlagung und Große 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 Simulatsonsparametern nachbilden zu können

Eine entsprechende Ansteuerung der Parameter mag hierbei einzeln erfolgen, oder aber es mögen Werte gesteuert/geregelt werden, die auf mehrere Parametei 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 Vorschadigen ausgebildet sein

Em entsprechend definiertes Beaufschlagen eines Objektes mag eine kontinuierliche, längerfristige automatisierte Simulation von Regenerosion ermöglichen, insbesondere mit einer stetig ansteigenden Expositionsintensitat, so dass in einem Simulationsdurchlauf eine Mehrzahl unterschiedlicher Expositionsmtensitaten simuliert werden mag Somit mag die insgesamt benotigte Testdauer reduziert sowie die Qualität des Simulationsergebnisses erhöht werden Ebenso mag die Reproduzierbarkeit der Testergebnisse gesteigert werden

Im Weiteren wird die vorhegende Erfindung unter Bezugnahme auf eine Vorrichtung zur Simulation von Regenerosion an einem Objekt beschrieben Diese Erläuterungen greifen jedoch ebenso für das Verfahren zur SsmuSation von Regenerosion an einem Objekt sowie für die Verwendung der erfindungsgemaßen Vorrichtung im erfindungsgemaßen Verfahren

Gemäß einem weiteren exemplarischen Ausfuht ungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung geschaffen aufweisend eine Halte- und Versatzvoinchtung welche Halte- und Versatzvoπichtung derart eingerichtet ist, ein Objekt in der Bahn des definierten, segmentierten Partikelstiahls zu befestigen und definiert zu bewegen

E- ine entsprechende Halte und Vetsatzvorrichtung mag beispielsweise ein xy~ Tisch bzw auch ein xyz-Tisch sein

Bei derartigen Tischen" ist ein definiertes, gesteuertos Bewegen bzw Verfahren eines definiert befestigten Objektes entlang den angezeigten Achsen möglich Ein xy-Tisch mag somit das Objekt in zwei Achsen und damit einet Ebene fiei 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.

Die Erfindung beschränkt sich in ihren Ausführungen nicht auf die in den Figuren dargestellten, bevorzugten Ausführungsformen. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten denkbar, welche in der dargestellten Lösung dem erfindungsgemäßen Grundgedanken auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungsformen Gebrauch machen.

Es zeigen: P2008/066864

10

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Segmentierung eines Wasserstrahls gemäß eines exemplarischen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der erosionsgefährdeten Stellen an einem Flugzeug;

Fig. 3 eine schematische DarsteSlung von Erosion an einer IR-Linse ^[11;

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Komprimierung von Wasser in einem Tropfen ^t2};

Fig. S eine schematische Darstellung der Wellenausbreitung nach einem Tropfenaufprall ^p];

Fig. β eine schematische Darstellung von der Entstehung von

Beschädigungen an bereits vorhandenen Rissen durch „schnelle Wasserstrahlen" ^[2:;

Fig. 7 eine schematische Darstellung von Erosionsschäden auf Zinksulfid erzeugt durch Rayleighwelien ^m\

Fig. 8 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Durchführung eines Tests am rotierenden Körper;

^[1] A A Fyall and R B King Proceedings of Ihe Fourth International Conference on Rain Eiosion and Associated Phenomena, 8 - 10 May 1974, VoI 1 [^[2211 MM JJ JJaacckkssoonn aanndd JJ EE F hieeiidd MMooddeellllimrvg_. liquid impact facture thresholds in bπttle mateπals, British ceramic transactions 2000 VoI, 99 No 1 Fig. 9 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Erzeugung eines Wasserstrahls ^[3];

5 Fig. 10 eine schematische Darstellung der Simulation eines Regentropfens durch einen Wasserstrahl ^I3];

Fig. 11 eine schematische Darstellung eines Teils einer Vorrichtung zur

Segmentierung eines Wasserstrahls gemäß eines exemplarischen IO Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;

Fig. 12 eine schematische Darstellung eines Tests mit Probenablauf im

Punktrastermodus gemäß eines exemplarischen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;

15

Fig. 13 eine schematische Darstellung eines Tests mit Probenablauf im

Bahnenmodus gemäß eines exemplarischen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;

20 Fig. 14 eine schematische Darstellung des flächigen Vorschädigens im

Bahnenmodus gemäß eines exemplarischen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.

O ^

^[33 R J Hand, J t Held, and D Townsend fhe use of liquid jets to simulate angled drop impact, 1991 Weiter bezugnehmend auf Fig. 1 zeigt diese eine schematische Darstellung einer Anordnung 2 zur Segmentierung eines Wasserstrahls 10 gemäß eines exemplarischen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.

s 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 Du- io se 11 durch eine rotierende Lochscheibe 12 in einzelne Strahlensegmente 13 segmentiert.

Dabei mag die geforderte Tröpfchengröße definiert eingestellt werden über den Düsenausträttsquerschnitt. Die Geschwindigkeit des Wasserstrahls 10 mag stufen- 15 los eingestellt werden durch den Einsatz der Hochdruckpumpe 18

).

Die Strahiensegmentiänge 14 wird geregelt über die Drehzahl der Lochscheibe 12 (schnellere Drehzahl = kürzere Strahiensegmentiänge) sowie über den Durch- 20 messer der Öffnung 15 in der Lochscheibe 12 (kleinere Öffnung = kürzere Strah- Sensegmentlänge).

Bei diesem Verfahren mag die Strahiensegmentiänge 14 extrem kurz gehalten werden, wodurch der Aufprall der einzelnen Segmente 13 im Wesentlichen voil- ?5 ständig 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 Fig. 12-14 beschriebenen Testverfahren. in Prufnormen gibt es zwei wichtige Parameter, die Tropfchengroße (je nach Norm zwischen 0,8 und 2 mm) und die Geschwindigkeit (225 m/s - 650 m/s) Zusätzlich relevant mag die Regenintensitat (oder Niederschlagsmenge) sowie die Testzest sein

Durch Einstellen der Strahlensegmentlänge 14 mag es möglich sein, eine reah- tatsnahe Schädigung und besser VergSeichbarkeit mit einem Regentropfen zu er- zieien Im Weiteren mögen beliebige Probengeometrien testbar sein (auch 3-D, z B FlugeSvorderkanten), der Aufprallwinkel zwischen Probe und Tropfen mag stufenios einstellbar sein, wie auch alle Parameter leicht und definiert einstellbar sein mögen (Geschwindigkeit, Tropfchengroße, Strahlsegmentlange, Niederschlagsmenge, Testzeit, Winkel)

Weiter bezugnehmend auf Fig 2 zeigt diese eine schematische Darsteilung der erosionsgefahrdeten Stellen an einem Flugzeug 24 Hierbei besonders exponiert sind Stellen, die in Flugrichtung mit Regentropfen mit im Wesentlichen der aktueilen Fluggeschwindigkeit kollidieren, wie beispielsweise das Dome 21 , die Flugeivorderkanten 22 sowie die Leitwerke 23

Nun weiter bezugnehmend auf Fig 3 zeigt diese eine schematische Darstellung von Eiosion an esnei IR-Lιnse 30 Die tianspaiente Abdeckung 31 der IR-Unse 30 ist hierbei durch kontinuierliche Exposition von Erosion beschädigt bzw zersplittert Aufgrund der hohen Geschwindigkeiten wahrend des Fluges (im Regelfall zwischen 225 m/s und 650 m/s) mögen Bauteile erodiert werden bis hm zum totalen Ve ι sagen einet Komponente

Weitet bezugnehmend auf Fig 4 zeigt diese eine schematische Darstellung der Kompnmierυng von Wasser in einem Tropfen 40

Der Schaden aufgrund eines Troptchenaufpialls mag hierbei m zwei Stufen unterteilt weiden in einem ersten Schritt (Tropfchenaufprall) wird ein höhet 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).

Weiter bezugnehmend auf Fig. 5 zeigt diese schematische Darstellung der WeI- lenausbreitung nach einem TröpfchenaufpralS.

Neben der Rayleigh Oberflächenwelle 50 treten zudem Scherwellen 51 sowie Kompressionsweilen 52 im Bauteil 17 auf. Letztere mag zur Deiamination zwischen der Grenzfläche von zwei Werkstoffen führen, die größere Unterschiede in den akustischen Eigenschaften aufweisen. Der Vorgang des Tröpfchenaufpralls Säuft in kürzester Zeit ab (~10^"6 sec) und kann bereits ersten Schaden, beispielsweise Mikrorisse, der Schicht oder des Grundwerkstoff verursachen.

Weiter bezugnehmend auf Fig. 6 zeigt diese 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, wel ches 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. Weiter bezugnehmend auf Fig. 7 zeigt diese schematische Darsteilung von Erosionsschaden auf Zmksuifid erzeugt durch Rayleighweilen 50.

Fig 7 zeigt hierbei ein typisches Schadensbild nach Tröpfchenaufschlag auf eι- nem spröden Materiai (hier Zinksulfid). Insbesondere zeigt die Figur auf einer Kreislinie liegende Mikroπsse, die aufgrund der Trόpfchenkomprimierung an der Stelle des höchsten Drucks entstehen

Weiter bezugnehmend auf Fig. 8 zeigt diese eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Durchfuhrung 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 sn schnelle Drehung versetzt und bewegen sich dabei entweder durch ein künstlich erzeugtes Regenfeld oder durch einzelne Wasserstrahlen.

Bei dieser Methode können je nach Große det Anlage Geschwindigkeiten von bis zu 1000 m/s erreicht werden Der Piatzbedarf ist stark von der gewünschten Geschwindigkeit und damit von der Dimension der Anlage abhangig

Besonders gut ist dieses Verfahren geeignet zur Simulation von Eiosion an Rotorblattern, da hier der Aufprall der Regentropfen auf einem rotierenden System am Realsten dargestellt werden kann

In fig 8 dargestellt mag die Frosionssimulation durch Regen oder auch Sandern- sson erfolgen Weiter bezugnehmend auf Fig. 9 zeigt diese eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Erzeugung eines Wasserstrahls.

Ein Strahlensegment wird hierbei erzeugt, indem ein Projekti! 90 auf eine mit 5 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 ιo von einem Wasserstrahl simuliert werden kann. Eine wichtige Voraussetzung dafür ist, dass es sich um einen kohärenten Wasserstrahl handelt, der zudem eine Seicht gekrümmte Vorderseite besitzt.

Eine Möglichkeit einen solchen Strahl zu erzeugen zeigt Fig. 9. In einer Kammer i 5 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. 0 Weiter bezugnehmend auf Fig. 10 zeigt diese 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 ent sprechend geringer sind.

Diese Näherung ist zulässig solange die Spitze des Strahls eine tropfenähnliche Rundung aufweist. Ein Strahlensegment kann während des Aufpralls einen ähnli- 0 chen 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

Weiter bezugnehmend auf Fig 11 zeigt diese eine schematische Darstellung eι- 5 nes Teils einer Vorrichtung zur Segmentierung eines Wasserstrahls gemäß eines exemplarischen Ausfuhrungsbeispiels der vorliegenden Erfindung

Auf einem Tragerelement 114 angebracht ist eine bewegliche Blende, hier dargestellt als drehbar gelagerte Lochscheibe 12 Angetrieben wird diese über eine Welle 10 110 durch einen Motor 113

Denkbar mag an dieser Steile 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

1 5

Die Drehzahl der Lochscheibe 12 wud eingestellt, beispielsweise ubei 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 20 111 mag die Befestigung unterschiediichei Lochscheiben 12 ermöglichen

Auch denkbar mag eine Ausgestaltung sein, bei dei die zumindest Öffnung der Lochscheibe 12 in Große und Fotm verandeibai ist (z B eine Ins) Hierduich mag dei Partikelstrahl 10,13 dynamisch nachjustieibai sein odet aber die Segmentie- ^nc> l ung mag somit im Wesentlichen sogai ohne (Drch-)Bewegung dei Lochscheibe erfolgen

Nicht nahet daigestellte Sensoren sowie eine Steuet/Rcgelelekttomk eimoglicht das Überwachen und nötigenfalls die Korrektur der eingestellten Re- ge l/Steuerparameter, um die Erzeugung des gewünscht definierten, segmentierten Partikelstrahls 10,13 sicherzustellen

Weiter bezugnehmend auf Fig 12 zeigt diese eine schematische Darstellung eι- nes Tests mit Probenablauf im Punktraster gemäß eines exemplarischen Ausfuh- rungsbeispiels 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 beiastet werden, wodurch man am Testende einen Mittelwert mit dazugehöriger Fehlerabweichung zu berechnen vermag

Dei xy-Tιsch ermöglicht u a, die stufenlose Erhöhung der Testzeit, wodurch auch keine stetige Inspektion notwendig ist In einer spater nachvollziehbaren Anord- nung (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 Ver- suchsstand entnommen werden und mit den gangigen Charakterisierungsmethoden (z B Lichtmikroskop, REM, AFM₁ XPS) analysiett werden Die maximale Re generosionsbelastung mag durch dieses Verfahren ebenso ermittelt werden, als wie der Versagensmechanismus eines Materials Weiter bezugnehmend auf Fig 13 zeigt diese eine schematische Darstellung eines Tests mit Probenablauf im Bahnenmodus gemäß eines exemplarischen Aus- fuhrungsbeispiels der vorliegenden Erfindung

5

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 Erhohen der Anzahl der Bahnen kann der Erosionsfortschritt sowie die Erosionsmechanismen untersucht werden

Weiter bezugnehmend auf Fig 14 zeigt diese eine schematische Darsteilung des flächigen Vorschadigens im Bahnenmodus gemäß eines exemplarischen Ausfuh- rungsbeispiels der vorliegenden Erfindung

l s Erosionsbelastete Strukturen haben meist neben der Erosionsbelastung eine zusätzliche Funktion wie beispielsweise Transparenz, niedriger Reibwert, Vethindern von Schmutz- und Eisanhaftung etc

Hierbei mag es von Interesse sein, die Oberflache des Bauteils bis zu einem be~ 0 stimmten Grad definiert zu schadigen um im Anschluss festzustellen ab welcher Regenbelastung die Hauptfunktion des Bauteils nicht mehr ausgeführt werden mag

Für diese Fragestellungen wild die Piobe 1 / mittels des xy-Tιsches flachsg de- s ckend mit den Stiahlensegmenten abgerastert

Ergänzend sei dai auf hingewiesen, dass „aufweisend" bzw , umfassend'¹ keine anderen Elemente odei Schritte ausschließt und „eine ' bzw „ein" keine Vielzahl ausschließt Fernet sei daiauf hingewiesen, dass Meikmaie odei Schritte, die mit so Verweis auf eines der obigen Ausfuhi ungsbeispiele beschi leben wotden sind, auch in Kombination mit andeten Svleskmalen ödes Schuften andeier oben be schriebener Ausführungsbetspieie verwendet werden können. Bezügszeichen in den Ansprüchen sind nicht ais Einschränkungen anzusehen.

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

] Q 12 Segmentierungsvorrichtung/Lochscheibe

13 definierter, segmentierter Partikelstrahl/Wasserstrahl

14 Strahlensegmentiänge

15 Öffnung

16 xy-Tisch

15 17 Bauteil/Probe

18 Pumpvorrichtung

21 Dome

22 Flügelvorderkante

23 Leitwerke 0 24 Flugzeug

30 IR-Unse

31 transparente Abdeckung

40 Tropfen

50 Rayleigh Oberflächenwelle 5 51 Scherweile

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

Patentansprüche

1. Verfahren zur Simulation von Regenerosion an einem Objekt (17), das Ver- fahren aufweisend die Schritte;

Erzeugen eines definierten, segmentierten Partikeistrahis (13); Definiertes Beaufschlagen des Objektes (17) mit dem definierten, segmentierten Partikelstrahl (13).

2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei ein Erzeugen des definierten, segmentierten Partikelstrahls die Schritte aufweist:

Erzeugen eines kontinuieriichen PartikeSstrahls (10) durch eine Pumpvorrichtung (18); Fokussieren des kontinuierlichen PartikeJstrahis (10) durch eine Fokus- sierungsvorrichtung (11);

Segmentieren des kontinuierlichen Partikelstrahls (10) durch eine Segmentierungsvorrichtung (12).

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der PartikeJstrahl (10,13) ein Strahl ist aus der Gruppe bestehend aus

Festkörperstrahl, Fluidstrahl, Flüssigkeitsstrahl, Gasstrahl und Wasserstrahl.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Segmentieren des Partikeistrahis (10) durch eine bewegliche Blende (12) erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Segmentieren des PartikeSstrahls (10,13) durch eine intervallweise gesteuerte Erzeugung erfolgt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Parameter aus der Gruppe bestehend aus Fokussie- rungsvorrichtungsaustrittsquerschnitt, Geschwindigkeit des Partikels- trahls (10,13), Druck der Pumpvorrichtung (18), Strahlsegmentlänge (14), Partikelmenge, Expositionszeit der Beaufschlagung, Expositionswinkel der Beaufschlagung und Größe des segmentierten Partikels- trahls stufenlos definiert einstellbar ist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das definierte Beaufschlagen eines Objektes (17) mit dem definierten, segmentierten Partikel strahl (13) als ein Beaufschlagen aus der Gruppe bestehend aus Punktraster-Beaufschlagen, Bahn-Beaufschiagen und

Vorschädigen ausgebildet ist.

8. Vorrichtung (1) zur Simulation von Regenerosion an einem Objekt (17), die Vorrichtung aufweisend eine Erzeugungsvorrichtung (2) zum Erzeugen eines definierten, segmentierten Partikeistrahls (13), wobei die Vorrichtung (1 ) derart eingerichtet ist, ein Objekt (17) mit dem definierten, segmentierten Partikelstrahl (13) definiert zu beaufschlagen.

9, Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Erzeugungsvorrichtung (2) zum Er zeugen eines definierten, segmentierten Partikeistrahls (13) aufweist' eine Pumpvorrichtung (18) zum Erzeugen eines kontinuierlichen Parti- kelstrahls (10); eine Fokussierungsvorrichtung (11) zum Fokussieren des kontinuierlichen Partikeistrahis (10); eine Segmentierungsvorrichtung (12) zum Segmentieren des kontinuierlichen Partikelstrahis (10).

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, weiterhin aufweisend eine Halte- und Versatzvorrichtung (16), welche Halte- und Versatzvorrichtung (16) derart eingerichtet ist, ein Objekt (17) in der Bahn des definierten, segmentierten Partikelstrahls (13) zu befestigen und definiert zu bewegen.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10₁ wobei zumindest ein Parameter aus der Gruppe bestehend aus Fokussie- rungsvorrichtungsaustrittsquerschnitt, Geschwindigkeit des Partikels- trahls (10,13), Druck der Pumpvorrichtung (18), Strahlsegmentlänge

(14), Partikelmenge, Expositionszeit der Beaufschlagung, Expositionswinkel der Beaufschlagung und Größe des segmentierten Partikelstrahls stufenlos definiert einstellbar ist.

12. Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11 in einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Simulation von Regenerosion.