Beschleunigung der Integritätsprüfung von Fanschaufeln mithilfe von ARAMIS

Durch Wartung, Reparatur und Überholung von Flugzeugen (MRO bzw. „Maintenance, Repair and Overhaul“) ist sichergestellt, dass Flugzeuge während ihrer gesamten Lebensdauer stets einen sicheren Flugbetrieb leisten können. Ein wesentlicher Bestandteil jedes Wartungsprogramms für Flugzeuge ist die Reparatur und Überholung von Triebwerken.

Insbesondere Fanschaufeln moderner Flugzeugturbinen müssen während ihrer Lebensdauer extremen Betriebsbedingungen standhalten. Um ein Höchstmaß an Sicherheit zu gewährleisten, werden die Fanschaufeln kontinuierlich auf ihre Unversehrtheit überprüft. Darüber hinaus sind Fanschaufeln Blitzeinschlägen, Eis und Vogelschlägen ausgesetzt. Solche Zwischenfälle lösen die sogenannte „lange Wartungsinspektion“ aus, bei der defekte Fanschaufeln identifiziert und ausgetauscht werden müssen. Dieses Verfahren ist kostspielig und zeitaufwendig, da es die vollständige Demontage der Turbine umfasst. Während der Inspektion des Triebwerks muss eine teure Austauschturbine das Flugzeug in Betrieb halten. Natürlich wollen Fluggesellschaften die Ausfallzeiten ihrer Flugtriebwerke auf ein Minimum reduzieren.

Eine schnelle Inspektion der einzelnen Fanschaufeln, ohne die gesamte Turbine demontieren zu müssen, würde viel Zeit und Geld sparen. Stellen Sie sich vor, der Servicetechniker könnte an jeder Fanschaufel eine Messung durchführen und schnell den Zustand des Bauteils bestimmen: Ist die Fanschaufel sicher für den Flugbetrieb oder nicht?

Ziel / Vision: ARAMIS erkennt im Rahmen von Service-Checks Risse in Fanschaufeln

Hier kommt der 3D-Testing-Sensor ARAMIS von GOM ins Spiel. Mithilfe der Punkt-Tracking-Technologie von ARAMIS kann die Reaktion der Fanschaufel auf den Hammerschlag ausgewertet und zur Berechnung der ODS (Betriebsschwingformen) der einzelnen Fanschaufeln herangezogen werden. Der Vergleich der tatsächlich gemessenen Betriebsschwingformen mit den simulierten Eigenschwingformen oder dem tatsächlichen Zustand aus früheren Messungen der Fanschaufel ermöglicht Rückschlüsse auf die Integrität des Bauteils. Wenn ein Unterschied zwischen gemessener und simulierter Eigenschwingform oder eine vollständige Änderung der charakteristischen Resonanzen (z. B. über die Lebensdauer) festgestellt wird, dann kann es sein, dass sich irgendwo an der Laufschaufel ein Riss befindet, sodass diese ausgetauscht werden muss.

GOM hat eine Studie an einer einzelnen Fanschaufel durchgeführt, um die allgemeine Anwendbarkeit des Konzepts zu beweisen. Schauen wir uns die Schritte dieses Prozesses einmal genauer an.

Schritt 1: Vorbereiten des Messobjektes

ARAMIS nutzt ultraleichte selbstklebende Referenzpunktmarken zur Messung und zum Tracking von 3D-Koordinaten im Raum. Aufgrund des berührungslosen Messprinzips ist im Gegensatz zu herkömmlichen Beschleunigungssensoren keine Verkabelung von Sensoren erforderlich. Jede Referenzpunktmarke liefert Informationen zu Verschiebungen in alle drei Raumrichtungen sowie Messdaten zu Geschwindigkeiten und Beschleunigungen. Aufgrund der schnellen und einfachen Anbringung der Referenzpunktmarken und ihres geringen Gewichts können in der Regel Hunderte von Referenzpunktmarken auf dem zu prüfenden Objekt angebracht werden. Dies führt zu einer hohen Datendichte für die nachfolgende Vibrationsanalyse.

Schritt 2: ARAMIS Messung bei Hammerschlagversuch

Der Hammerschlagversuch findet häufige Anwendung in der Vibrationsanalyse. Durch den Hammerschlag wird die Fanschaufel mit einer vorübergehenden Vibration erregt und es wird so die Identifizierung der Resonanzfrequenzen ermöglicht. Aus numerischen Simulationen war bereits bekannt, dass die Fanschaufel die wichtigsten Resonanzen im Frequenzbereich bis 1500 Hz aufzeigen sollte. Daher erfolgte mit dem ARAMIS System eine Messung mit einer zehnmal höheren Abtastfrequenz von 15.000 Bildern pro Sekunde.

Schritt 3: Vibrationsanalyse

Das optische Messsystem ARAMIS liefert genaue Daten zu Verschiebungen in dreidimensionalen Räumen. Das integrierte Analysetool berechnet aus diesen Daten die Übertragungsfunktion, mit der die Resonanzfrequenzen der Fanschaufel identifiziert werden können. Darüber hinaus berechnet ARAMIS für jede Frequenz, die im Anregungsspektrum liegt, die Betriebsschwingformen der Fanschaufel. Dies ermöglicht das Ableiten von Amplitudenwerten für Hunderte von Messpunkten, die gleichzeitig während der Messung beim Abklingen der Schwingung erfasst werden.

ODS X@73.0HzODS X@312.9Hz
ODS X@512.9HzODS X@728.8Hz
ODS X@1168.7Hz
ODS X@73.0HzODS X@312.9HzODS X@512.9HzODS X@728.8HzODS X@1168.7Hz

Schritt 4: Vergleich zur numerischen Simulation von Eigenschwingformen und Entscheidung: sicher für den Flugbetrieb oder nicht?

Sobald die ODS (Betriebsschwingformen) in der ARAMIS Professional Software bestimmt wurden, ist ein Vergleich mit den simulierten Eigenschwingformen möglich. Falls signifikante Unterschiede bei den charakteristischen Resonanzfrequenzen zwischen den Eigenschwingformen und den gemessenen ODS vorliegen, weist dies darauf hin, dass die Fanschaufel defekt ist und ausgetauscht werden muss.