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Forschung

Die große Flatter

Mittwoch, 13. Mai 2015

Im neuen „TurboLab“ werden in zwei innovativen Wind- und Strömungskanälen gefährliche Störungen bei Turbomaschinen untersucht

Das Konstruktionsteam um Professor Dieter Peitsch (r.): Leonie Malzacher, Christian Brück, Horst Mudrack und Norbert Scholz (v. l.) haben den „Flatterkanal“ (vorn) und den „Ringgitterkanal“ (hinten) entwickelt und gebaut. Im Bild unten ist die Verdichterk
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Plötzlich ungewöhnliche Geräusche im Flugzeug, ein Vibrieren, ein heftiger Schlag: Schaufelbruch im Triebwerk! Kaum ein Katastrophenszenario ist in der Luftfahrt so gefürchtet wie diese „Störung“, die zum Schubverlust führen kann, schlimmstenfalls zum Absturz. Das „Flattern“ der Triebwerksschaufeln entsteht, wenn diese anfangen zu schwingen und die Bewegung durch die Aerodynamik weiter angefacht wird. Dieses von den Forschern als Selbstanregung bezeichnete Phänomen gerät außerordentlich schnell außer Kontrolle. Auf diese sogenannten aeroelastischen Phänomene konzentriert sich die aktuelle Forschung im „Flatterkanal“, einem der beiden neuen Prüfstände im „TurboLab“, das am 21. Mai 2015 am Institut für Luft- und Raumfahrt eingeweiht wird.

In der riesigen, 15 Meter hohen, frisch umgebauten und renovierten Windkanalhalle steht die Ingenieurin Leonie Malzacher und wirkt recht klein neben „ihrem“ Flatterkanal. Sie erklärt, was der neun Meter lange und vier Meter hohe, an Messgeräte angeschlossene Tunnel aus Metall, Holz und Kunststoff kann: „Das Schaufelflattern ist ein Stabilitätsproblem, das durch seine Dynamik sehr schnell zum Schaufelbruch führen kann. Dieses Problem konnte aber bisher nur mangelhaft beobachtet und erforscht werden.“ Leonie Malzacher hat den neuen Prüfstand mit aufgebaut und betreut nun die Versuche. „Im Flatterkanal können wir Windgeschwindigkeiten von 40 bis 50 Metern pro Sekunde erzeugen und durch eine Messstrecke mit elf elastisch aufgehängten Verdichterschaufeln führen.“ Diese Anordnung von elastisch gelagerten Schaufeln, eine Schaufelkaskade, lässt einzigartige Versuche zu. Die Wirkung bestimmter Strömungen kann über Ähnlichkeitsbeziehungen hochskaliert und so auf große Schaufelanordnungen in Flugzeugtriebwerken oder in Gasturbinen übertragen werden.

Gleich daneben, fast genauso lang, steht ein zweiter, vollkommen neuer Windkanal mit einem kreisförmigen Querschnitt. Er ist im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 1029 „TurbIN“ entstanden, von dem ein Teilbereich am Institut für Luft- und Raumfahrt angesiedelt ist und der sich mit der Steigerung von Wirkungsgraden in Gasturbinen durch die Nutzung von instationären Vorgängen in der Maschine beschäftigt. Unter anderem wird im SFB „TurbIN“ eine neuartige Verbrennungsmethode für Gasturbinen untersucht, die Auswirkungen auch auf alle anderen Komponenten der Gesamtmaschine hat. „Der aufgebaute Ringgitterkanal ist auf niedrige Strömungsgeschwindigkeiten ausgelegt. Die Untersuchungen konzentrieren sich auf das kritische Verdichtermodul der Gasturbine“, erläutert Dipl.-Ing. Christian Brück, der fast zwei Jahre an Entwicklung und Bau gearbeitet hat und nun die Versuche betreut. „Durch die Verbrennung, bei der sich in der Brennkammer der Druck aufbaut, erfährt der Verdichter periodisch veränderliche Austrittsbedingungen, die die Leistung und die Betriebssicherheit beeinträchigen können. Wir suchen nun nach Methoden, um den Verdichter in einem stabilen Betriebszustand zu halten und trotzdem effizient zu arbeiten.“

Prof. Dr.-Ing. Dieter Peitsch, der das Fachgebiet Luftfahrtantriebe leitet, ist sehr stolz auf das neue „TurboLab“ mit den beiden neuen Windkanälen. „Sie sind sehr gut für die Grundlagenforschung geeignet, denn sie ermöglichen Strömungsuntersuchungen für kritische Komponenten“, erklärt er. „Sie eröffnen uns damit ein wichtiges Zukunftsfeld im Forschungsbereich von Turbomaschinen.“

Patricia Pätzold "TU intern" Mai 2015

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