Im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) wollen fachübergreifende Teams die Belastungen von Flugzeugturbinen unter realistischen Bedingungen untersuchen. Die nötigen Prüfanlagen müssen sie allerdings erst noch entwickeln.

Nora Kind ist Expertin für die Erforschung von Reibverschleiß und Reibermüdung an Flugzeugtriebwerken. Darüber hat sie schon ihre Dissertation an der französischen Ingenieurshochschule École Centrale de Lyon geschrieben. Bis sie daran anknüpfen kann, liegt aber noch viel Arbeit vor ihr: Die Wissenschaftlerin unterstützt den Aufbau eines Prüfzentrums im neu gegründeten DLR-Institut für Test und Simulation für Gasturbinen. Es sind nicht irgendwelche Anlagen, die in Augsburg aufgebaut werden, sondern weltweit einzigartige MTC-Prüfstände. Erstmals wird es dort möglich sein, Turbinen und ihre Komponenten unter realistischen Bedingungen zu testen, indem mechanische, thermische und chemische Belastungen – kurz MTC – gleichzeitig betrachtet werden. Ziel ist, Gasturbinen langlebiger und energieeffizienter zu machen, um Kraftstoffverbrauch und Emissionsausstoß zu senken. Bis große Passagierflugzeuge ausschließlich elektrisch angetrieben werden können, wird es schließlich noch viele Jahre dauern.

"Bahnbrechend ist die zusätzliche chemische Last", erklärt Nora Kind. "In die fertige Prüfanlage werden wir Abgase einleiten, wie sie im Triebwerk entstehen." Das Grundgerüst, den sogenannten Lastrahmen, gibt es standardmäßig zu kaufen. Das Forschungsteam stattet ihn zusätzlich mit Heizanlage und einer Druckkammer aus. Für Konzeption und Aufbau der Prüfstände ist die enge Zusammenarbeit mit Triebwerks-, Lastrahmen- und Druckkammerherstellern vorgesehen. Die wissenschaftlichen Teams sollen schließlich nahe am tatsächlichen Bedarf und nicht im Elfenbeinturm forschen. Die Errichtung der technischen Infrastruktur läuft Hand in Hand mit dem Bau des Institutsgebäudes, das 2022 bezugsfertig sein soll. Derzeit nutzen die Arbeitsgruppen mehrere Räume und eine Technikumshalle im Technologiezentrum Augsburg. Die geplanten Testanlagen bestimmen auch die Anforderungen an das neue Gebäude; immerhin werden in den Versuchen extrem hohe Temperaturen erreicht. Folglich muss zum Beispiel der große Kühlungsbedarf frühzeitig berücksichtigt werden.

Luft- und Raumfahrtingenieurin Nora Kind vor den Instituts-Büros am Technologiezentrum Augsburg © DLR / Alexandra Beier

 

Turbinen aus innovativen Materialien

 

Nora Kind hat bereits während ihres Studiums der Luft- und Raumfahrttechnik im niederländischen Delft erste Kontakte zum DLR geknüpft. Damals kam sie für ein viermonatiges Praktikum ins Institut für Werkstoffforschung in Köln. Der dortige stellvertretende Institutsleiter Professor Dr. Ing. Stefan Reh leitet heute den Aufbau des neuen Instituts in Augsburg und holte sie ins Team. Das ist nicht ungewöhnlich. Im DLR versteht man sich als Talentschmiede, die jungen Menschen durch Praktika, Abschlussarbeiten oder Werkstudententätigkeiten die Chance gibt, frühzeitig erste Erfahrungen in der Spitzenforschung zu sammeln. Nachwuchstalente sind von Anfang an in die thematische Arbeit in den sechs Bereichen Luft- und Raumfahrt, Energie, Verkehr, Digitalisierung und Sicherheit an bundesweit 20 Standorten eingebunden. Dabei arbeiten sie stets in interdisziplinären Teams – so wie Nora Kind. In ihrer Abteilung Testbetrieb und Messverfahren trifft die Expertise aus Luft- und Raumfahrt, Maschinenbau, Werkstofftechnik, Physik und anderen Fachrichtungen zusammen.

Gemeinsam mit den Forschungspartnern möchten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler dazu beitragen, künftige Generationen von Gasturbinen durch den Einsatz moderner Werkstoffe oder neuer Fertigungsverfahren effizienter und umweltfreundlicher zu machen. Nickelbasislegierungen, aus denen Triebwerkskomponenten derzeit hergestellt werden, könnten künftig durch faserverstärkte Keramiken auf der Basis von Siliziumkarbid ersetzt werden. Diese Materialien sind eine attraktive Alternative zu etablierten metallischen Legierungen, weil sie leichter und bei Überbelastung stärker verformbar sind als konventionelle Keramiken. Mit den MTC-Prüfständen können die Wissenschaftler künftig feststellen, ob Triebwerksbauteile, die aus innovativen Werkstoffen oder mit neuen Verfahren hergestellt wurden, den realen Anforderungen an Lebensdauer und Zuverlässigkeit gerecht werden.

Das junge Team rund um Gründungsdirektor Prof. Dr.-Ing. Reh (2. v.l.) vom Institut Test und Simulation für Gasturbinen © DLR / Alexandra Beier


Realer Prüfstand und digitaler Zwilling

 

Einzigartig ist auch die Kopplung von virtuellen Simulationen und realen Experimenten, um Triebwerkslösungen zu prüfen und zu validieren: Nora Kind und ihre Kollegen werden alle Messungen in Echtzeit durchführen. Noch während eines Tests sollen sämtliche erfassten Daten für numerische Modelle übernommen werden. Daraus entwickelt ein spezialisiertes Team der benachbarten Abteilung einen digitalen Zwilling des Triebwerks, womit unter anderem eine genaue Lebensdauerbestimmung von Gasturbinen möglich wird. "Instandhaltungsintervalle, die momentan routinemäßig stattfinden, könnte man anpassen und abhängig von der tatsächlichen Abnutzung einzelner Bauteile machen", erklärt Nora Kind.

Die Wissenschaftlerin und ihre Kollegen sind nicht nur mit Luftfahrt-Industriepartnern wie MTU oder Rolls-Royce vernetzt. Auch mit anderen DLR-Instituten, insbesondere dem Institut für Antriebstechnik und dem Institut für Werkstoffforschung, arbeiten sie eng zusammen. Dort bereitet Nora Kind regelmäßig Materialproben für ein erstes gemeinsames Projekt mit der Bundesanstalt für Materialforschung (BAM) vor. Die BAM ist spezialisiert auf Sensorik, die Schichtdicken von Korrosion misst – allerdings bei Raumtemperatur. Nun sollen die Messinstrumente so weiterentwickelt werden, dass sie auch bei hohen Temperaturen verlässliche Ergebnisse liefern. Für ihre vielfältigen Aufgaben im neuen Institut, das derzeit 17 Mitarbeiter hat, wünscht sich Nora Kind Verstärkung: "Wir suchen für alle Abteilungen dringend kreative und neugierige Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die Pionierarbeit in der Luftfahrtforschung leisten wollen."


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