Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Physiker der TU München weisen gefährliche innere Spannungen in großen Verdichtern nach

28.07.2008
Verdichterräder in Turbinen müssen einiges aushalten: Sie bringen große Mengen an Gasen oder Flüssigkeiten auf hohen Druck, und gleichzeitig zerren an ihnen extreme Fliehkräfte.

Bricht ein Verdichterrad infolge Materialermüdung, kann dies die gesamte Turbine zerstören. Für die Hersteller ist es daher von großem Interesse, Belastungsgrenzen von Bauteilen voraus berechnen zu können.

Allerdings müssen die Ergebnisse solcher Berechnungen auch in der Realität geprüft werden. Ein solches Prüfverfahren haben nun Physiker an der Forschungsneutronenquelle FRM II der TU München entwickelt. Mit ihrem Instrument STRESS-SPEC können sie auch tief in großen Bauteilen versteckte, innere Spannungen nachweisen.

Auf der Suche nach wirtschaftlichen und Energie effizienten Werkstoffen, Designs und Verfahren entwickeln Wissenschaft und Technik immer bessere Materialien und Hochleistungskomponenten. Auch die Leistungspotenziale bereits im Einsatz befindlicher Materialien werden weiter ausgereizt. Die direkte, zerstörungsfreie Untersuchung der bei Herstellung und Weiterverarbeitung entstehenden inneren Strukturen ist dabei von entscheidender Bedeutung. "Viele Methoden der Materialforschung schauen nur auf die Oberfläche," sagt Winfried Petry, wissenschaftlicher Direktor der Neutronenquelle FRM II der TU München. "Mit der Neutronenstreuung haben wir ein Instrument, auch tief ins Innere von Materialien zu schauen. Die daraus erwachsenden Erkenntnisse sind von enormer wirtschaftlicher Bedeutung."

... mehr zu:
»FRM »Physik »STRESS-SPEC

Ausgangspunkt der Untersuchung von Verdichtern war ein Streit zwischen Theoretikern und Ingenieuren: Ein Turbinenhersteller hatte die mathematische Modellierung des Herstellungsprozesses für große Verdichterräder in Auftrag gegeben. Diese werden aus einem fast 300 kg schweren Metallrohling heraus gefräst. Bei ihrer Simulation fiel den Theoretikern auf, dass der Herstellungsprozess im Inneren des Blocks erhebliche mechanische Spannungen verursachen müsste. Solche inneren Spannungen können zu Materialermüdung und Rissbildung führen, dem vorzeitigen Ende des Bauteils. Die Ingenieure glaubten nicht an die Existenz solcher Spannungen. Leider gab es keine Methode, mit der der Streit hätte entschieden werden können - bis das Unternehmen auf das Untersuchungsinstrument STRESS-SPEC des FRM II aufmerksam wurde.

Für die Wissenschaftler des FRM II stellte der Auftrag eine erhebliche Herausforderung dar: Nie zuvor war ein so großes Bauteil vermessen worden. Der Messplatz musste extra umgebaut werden, um ein so großes Bauteil vor dem Neutronenstrahl auf den Mikrometer exakt positionieren und für Messreihen definiert verschieben zu können. Doch dann konnte Michael Hofmann, Physiker der TU München und Leiter des Instruments STRESS-SPEC, mit seinem Team den Streit schnell beenden: Eindeutig zeigten die Messungen, dass im Inneren des Bauteils erhebliche mechanische Spannungen vorhanden waren. Die Theoretiker hatten also Recht gehabt. Nun sind die Ingenieure dabei, den Herstellungsprozess so verändern, dass keine oder nur minimale Spannungen entstehen. Dies erhöht die Lebensdauer des Bauteils und damit die Wirtschaftlichkeit weil die Intervalle zwischen den kostenintensiven Wartungspausen verlängert werden können.

Die Neutronenstrahl-Experimente der Physiker haben aber noch einen viel weiter reichenden Effekt: Mit ihren Messungen bestätigen sie die Modelle der Materialwissenschaftler. Diese können ihre Methoden mit den Messdaten nun weiter verfeinern und auf andere Werkstücke und Materialien übertragen. "Wir betreiben hier hoch aktuelle Grundlagenforschung," bestätigt Michael Hofmann. "Wenn die Modelle sehr realitätsnah sind, dann spart die computergestützte Materialwissenschaft massiv Entwicklungskosten ein, denn am Computer-Modell können viele Variationen in kurzer Zeit durchgespielt werden. Den Realitätstest liefern wir mit unserem Neutronen-Diffraktometer STRESS-SPEC."

Nur mit Neutronen können die Wissenschaftler die Spannungen tief im Inneren massiver Bauteile aufspüren: Da sie nicht elektrisch geladen sind, fliegen die Winzlinge durch viele Materialien so ungehindert hindurch, wie Lichtteilchen durch Glas. Nur ab und zu stößt ein Neutron mit einem Atomkern des Materials zusammen, verliert etwas Energie und wird aus der Bahn geworfen. Die Richtungsänderung und der Energieverlust sagen viel über den Unfallgegner und die nähere Umgebung des Unfallortes aus. Spannungen verraten sich dadurch, dass die Atome um einen kleinen Betrag aus ihrer Idealposition heraus gezogen sind. "Mit unserer Messgenauigkeit sind wir hier schon im Picometer-Bereich, also noch mal um einen Faktor 1000 kleiner als ein Nanometer," erläutert Prof. Winfried Petry, wissenschaftlicher Direktor der Neutronenquelle.

Dr. Ulrich Marsch | idw
Weitere Informationen:
http://www.frm2.tum.de

Weitere Berichte zu: FRM Physik STRESS-SPEC

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Blasen im Pulsarwind schlagen Funken
22.11.2017 | Max-Planck-Institut für Kernphysik

nachricht Eine Nano-Uhr mit präzisen Zeigern
21.11.2017 | Universität Wien

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Kleine Strukturen – große Wirkung

Innovative Schutzschicht für geringen Verbrauch künftiger Rolls-Royce Flugtriebwerke entwickelt

Gemeinsam mit Rolls-Royce Deutschland hat das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS im Rahmen von zwei Vorhaben aus dem...

Im Focus: Nanoparticles help with malaria diagnosis – new rapid test in development

The WHO reports an estimated 429,000 malaria deaths each year. The disease mostly affects tropical and subtropical regions and in particular the African continent. The Fraunhofer Institute for Silicate Research ISC teamed up with the Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology IME and the Institute of Tropical Medicine at the University of Tübingen for a new test method to detect malaria parasites in blood. The idea of the research project “NanoFRET” is to develop a highly sensitive and reliable rapid diagnostic test so that patient treatment can begin as early as possible.

Malaria is caused by parasites transmitted by mosquito bite. The most dangerous form of malaria is malaria tropica. Left untreated, it is fatal in most cases....

Im Focus: Transparente Beschichtung für Alltagsanwendungen

Sport- und Outdoorbekleidung, die Wasser und Schmutz abweist, oder Windschutzscheiben, an denen kein Wasser kondensiert – viele alltägliche Produkte können von stark wasserabweisenden Beschichtungen profitieren. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben Forscher um Dr. Bastian E. Rapp einen Werkstoff für solche Beschichtungen entwickelt, der sowohl transparent als auch abriebfest ist: „Fluoropor“, einen fluorierten Polymerschaum mit durchgehender Nano-/Mikrostruktur. Sie stellen ihn in Nature Scientific Reports vor. (DOI: 10.1038/s41598-017-15287-8)

In der Natur ist das Phänomen vor allem bei Lotuspflanzen bekannt: Wassertropfen perlen von der Blattoberfläche einfach ab. Diesen Lotuseffekt ahmen...

Im Focus: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

IfBB bei 12th European Bioplastics Conference mit dabei: neue Marktzahlen, neue Forschungsthemen

22.11.2017 | Veranstaltungen

Zahnimplantate: Forschungsergebnisse und ihre Konsequenzen – 31. Kongress der DGI

22.11.2017 | Veranstaltungen

Tagung widmet sich dem Thema Autonomes Fahren

21.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Bakterien als Schrittmacher des Darms

22.11.2017 | Biowissenschaften Chemie

Ozeanversauerung schädigt Miesmuscheln im Frühstadium

22.11.2017 | Biowissenschaften Chemie

Die gefrorenen Küsten der Arktis: Ein Lebensraum schmilzt davon

22.11.2017 | Geowissenschaften