Details

Einführung
In einem modernen Flugzeugtriebwerk ist die Niederdruckwelle (LP-Welle) eines der am stärksten beanspruchten und anspruchsvollsten Bauteile der gesamten Maschine. Sie muss enorme Drehmomente übertragen, schnelle Lastwechsel verkraften und Millionen von Lastzyklen bei erhöhten Temperaturen – oft über Tausende von Stunden – überstehen, ohne dass sich auch nur ein einziger Riss bis zum Versagen ausbreitet. Versagt diese Welle im Betrieb, handelt es sich nicht um eine geringfügige Unannehmlichkeit, sondern um ein ernstes Sicherheitsereignis und eine am Boden verbleibende Flotte.

Die LP-Wellen-Torsions-Ermüdungsprüfmaschine wurde genau entwickelt, um dieses Szenario zu verhindern. Es handelt sich um einen Dauerprüfstand in Originalgröße, der die LP-Welle verdreht, zieht und aufheizt, und dabei die realen Bedingungen im Triebwerk sehr genau nachbildet – jedoch unter kontrollierten Laborbedingungen. Durch die Kombination aus Torsionsbelastung, axialer Zugkraft und einem steilen thermischen Gradienten setzt der Prüfstand die Welle einer härteren Beanspruchung als im realen Betrieb aus, sodass Schwachstellen auf dem Prüfstand sichtbar werden – und nicht in der Luft.

Anstatt sich ausschließlich auf Berechnungen und kleine Probenversuche zu verlassen, ermöglicht diese Maschine Ingenieuren die Durchführung von lang andauernden Ermüdungsprogrammen mit hoher Frequenz an der tatsächlichen Wellengometrie. Jeder Drehmomentzyklus, jeder Verdrehwinkel und jeder Temperaturwert wird gemessen, aufgezeichnet und ist rückverfolgbar, sodass Konstruktionsänderungen und Materialentscheidungen durch belastbare, reale Daten untermauert werden können.

Zentrale funktionale Fähigkeiten
Kombinierte Belastung der LP-Welle über die gesamte Länge
  • Programmierbare Torsionsbelastung von null bis zum erforderlichen Hauptdrehmoment mit überlagertem Nebenzyklus.
  • Axiale Belastung mit mehreren diskreten Kraftstufen bis zur maximal spezifizierten Axiallast.

Simulation eines thermischen Gradienten
  • Kontrollierter Temperaturgradient entlang der Welle, typischerweise von etwa 100 °C bis 350 °C, der über die gesamte Prüfdauer aufrechterhalten wird.

Ermüdungsbetrieb mit hoher Zyklenzahl
  • Neben-Drehmomentzyklen im Hochfrequenzbereich (10-Hz-Klasse), wobei jeder Hauptzyklus aus vielen Nebenzyklen besteht und die Gesamtprüfung sehr hohe Zyklenzahlen erreicht.

Echtzeitüberwachung und -regelung
  • Kontinuierliche Messung von Drehmoment, Axialkraft, Verdrehwinkel, Weg, Temperatur, Druck, Vibration und Zyklenzahl mit geschlossener Regelung der
Servoventile und Heizelemente.

Systemarchitektur – Überblick
Die Maschine ist um vier Hauptsubsysteme herum aufgebaut:
Mechanischer Prüfstand
  • Schwerer Grundrahmen aus MS-Stahl mit integrierten Lagerblöcken und Torsionsarm.
  • Verstellbare Lagerstützen zur Aufnahme unterschiedlicher LP-Wellenlängen und Lagerpositionen.
  • Über die gesamte Länge isolierte Schutzhaube, die Welle und Heizelemente umschließt, mit Zugangstüren für Montage und Inspektion.

Hydraulische Betätigung
  • Hydraulikaggregat mit Edelstahlbehälter und Elektromotor, der eine Doppel-Flügelzellenpumpe antreibt und sowohl Hochdruck- als auch Niederdruckkreise für
dynamische Betätigung und Hilfsfunktionen bereitstellt.
  • Ein Torsionszylinder, der über einen Torsionsarm mit der Welle gekoppelt ist, sowie zwei Axialzylinder, die von beiden Enden Zugkräfte aufbringen.
  • Digitales Servoventil zur Torsionsregelung sowie Richtungs- und Proportionalventile für die Axialkreise, mit Filtration und Kühlung ausgelegt für lange Dauerprüfungen.

Thermisches Simulationssystem
  • Mehrere Bandheizelemente, zonenweise entlang der Welle angeordnet, um den gewünschten Gradienten zu erzeugen und zu halten.
  • Isolationsschilde und äußere Abdeckung zur Minimierung von Wärmeverlusten und zum Schutz der umgebenden Struktur.

Steuerung, SCADA und Datenerfassung
  • Industrielle SPS mit dediziertem Schaltschrank und 27"-Bedienkonsole.
  • SCADA-PC zur Aufzeichnung aller Kanäle mit schnellen Abtastintervallen und Ethernet-Anbindung für die Fernüberwachung im lokalen Netzwerk.

Technische Spezifikationen

  

    
Kategorie
    
Parameter
    
Typischer Wert / Leistungsfähigkeit
  

  

    
Prüfling
    
Wellentyp
    
Niederdruck-Flugtriebwerkswellenbaugruppe
  

  

    

    
Gesamtlänge der Welle
    
Ca. 1,6–2,0 m (verstellbare Lagerpositionen)
  

  

    
Mechanische Lasten
    
Hauptdrehmomentbereich
    
Programmierbar im Mehr-kNm-Bereich für Prüfungen in Originalgröße
  

  

    

    
Maximale Drehmomentkapazität
    
Über dem erforderlichen Prüfdrehmoment ausgelegt für Hochzyklus-Dauerfestigkeit
  

  

    

    
Axiale Laststufen
    
Mehrere Zuglaststufen bis zu mehreren zehn kN
  

  

    

    
Nebenzyklusfrequenz
    
Hochfrequente Nebenzyklen (~10 Hz)
  

  

    
Thermische Bedingungen
    
Temperaturgradient
    
Ca. 100–350 °C entlang der Wellenlänge (Zonenregelung)
  

  

    

    
Heizanordnung
    
Mehrere Bandheizelemente (mehrere kW) mit unabhängiger Zonenregelung
  

  

    
Hydraulikaggregat
    
Tankvolumen
    
~250 L (Edelstahlkonstruktion mit Prallblechen)
  

  

    

    
Motorleistung
    
~7,5 kW, Antrieb eines Doppel-Flügelzellenpumpensatzes
  

  

    

    
Pumpe 1 (Hochdruck)
    
Hochdrucksektion ~200 bar
  

  

    

    
Pumpe 2 (Niederdruck)
    
Niederdrucksektion für Nachspeise- und Hilfskreise
  

  

    

    
Filtration
    
Mehrstufige Druck- und Rücklauffiltration
  

  

    

    
Kühlung
    
Öl-Wasser-Wärmetauscher
  

  

    
Hydraulische Aktuatoren
    
Torsionszylinder
    
Doppeltwirkender Zylinder zur Drehmomentübertragung über einen Torsionsarm
  

  

    

    
Axialzylinder
    
Zwei doppeltwirkende Zylinder zur axialen Zugbelastung von beiden Enden
  

  

    
Servo & Ventile
    
Servoventil
    
Digitales servo-proportionales Ventil mit ±10-V-Steuersignal
  

  

    

    
Druckregelventile
    
Proportionale Druckbegrenzungs- und Druckregelventile
  

  

    
Instrumentierung
    
Drehmomentsensor
    
Hochpräziser Reaktionsdrehmomentaufnehmer
  

  

    

    
Axiale Kraftmesszelle
    
Zug-/Druckmesszelle, außerhalb der Heißzone angeordnet
  

  

    

    
Temperaturmessung
    
Mehrere Thermoelemente/RTDs entlang der Welle und der Struktur
  

  

    

    
Druck und Vibration
    
Drucktransmitter und Beschleunigungssensoren
  

  

    
Steuerung & DAQ
    
SPS-System
    
Industrielle SPS mit vollständigen Interlocks und geschlossener Regelung
  

  

    

    
Bedienkonsole
    
27″-Konsole mit Meldeleuchten, Schaltern, USB und Ethernet
  

  

    

    
Datenaufzeichnungsrate
    
Schnelle Abtastung (Zehntel Millisekunden)
  

  

    
Gesamtabmessungen des Prüfstands
    
Ungefähre Prüfstandslänge
    
~4,0–4,2 m gesamt (mit Haube und Rahmen)
  

  

    

    
Höhe / Breite
    
~1,5–1,7 m hoch, ~1,0 m breit
  



Betriebsablauf – Überblick
1. Wellenmontage und Ausrichtung
  • Montage der LP-Welle mit speziellen Adaptern an beiden Enden.
  • Einstellung der Lagerstützen entlang des Grundrahmens entsprechend der Wellengeometrie und Fixierung in Position.

2. Systemprüfungen
  • Befüllen und Entlüften des Hydraulikkreislaufs, Überprüfung von Tankfüllstand, Filtern und Kühlwasser.
  • Funktionsprüfung von Heizelementen, Thermoelementen, Drucktransmittern, Drehmomentsensor, Kraftmesszellen und Vibrationskanälen.

3. Profilkonfiguration
  • Festlegen von Hauptdrehmoment, Nebenzyklusamplitude, axialer Laststufe, Prüf­frequenz, Zyklenzahl und Temperatur-Sollwerten über die SCADA-Oberfläche.
  • Einstellung von Abbruchschwellen für maximales Drehmoment, Kraft, Temperatur und Vibration.

4. Prüfdurchführung
  • Aufheizen der Welle auf die erforderliche Temperaturverteilung und Stabilisierung des Gradienten.
  • Aufbringen der Axiallast und anschließendes Hochfahren des Hauptdrehmoments.
  • Überlagerung von Neben-Drehmomentzyklen mit der definierten Frequenz für jeden Hauptzyklus.

5. Überwachung und Protokollierung
  • Beobachtung von Echtzeitdiagrammen für Drehmoment, Verdrehung, Kraft, Weg, Temperatur und Vibration auf der 27"-Konsole.
  • Alle Kanäle werden während der gesamten Prüfdauer kontinuierlich aufgezeichnet für Nachbearbeitung und Bewertung der Ermüdungslebensdauer.

6. Abschaltung und Inspektion
  • Am Ende jedes Zyklusblocks entlastet der Prüfstand und kühlt kontrolliert ab.
  • Die Welle kann vor dem nächsten Prüfinkrement auf Rissinitiierung und -wachstum inspiziert werden.

Sicherheits- und Schutzmerkmale
Mehrstufige Sicherheitsverriegelungen
  • Not-Aus-Taster an der Konsole und in der Nähe des Prüfstands.
  • Schutzabdeckungen um rotierende und heiße Teile, mit Verriegelungen wo erforderlich.

Hydraulische und elektrische Schutzfunktionen
  • Überdruckschutz durch Druckbegrenzungs- und proportionale Druckregelventile.
  • Standardmäßige Motor- und Leistungs­schutzfunktionen: Überstrom, Kurzschluss, Phasenausfall, Überlastrelais.

Zustandsbasierte Abbruchlogik
  • Automatischer Prüf­abbruch bei Überschreitung von Drehmoment, Kraft, Temperatur oder bei übermäßiger Vibration, mit Ereignisprotokollierung im SCADA zur Rückverfolgbarkeit.

Ausfallsichere Servo-Konfiguration
  • Servoventil und Hydraulikkreise sind so ausgelegt, dass sie bei Energie- oder Signalverlust in einen sicheren Zustand übergehen.

Zusammenfassung
In der Praxis ist dieser Prüfstand der Ort, an dem sich eine LP-Welle unter kontrollierten Bedingungen bewährt oder versagt. Er vereint Torsions-, Axial- und thermische Ermüdung in Originalgröße in einem integrierten System und bietet die Genauigkeit und Wiederholbarkeit, die für die Zertifizierung von Flugtriebwerken erforderlich sind. Für alle, die für die Integrität von Wellen verantwortlich sind – Konstruktion, Werkstoffe, Prüfung oder Zertifizierung – bildet diese Maschine das Rückgrat eines ernsthaften Ermüdungsvalidierungsprogramms.