Neue Technik zur Schwingungsdämpfung einer Flugzeugturbine

Am Institut für Dynamik und Schwingungen der Leibniz Universität Hannover forschen Wissenschaftlerinnen, Wissenschaftler und Studierende seit Jahren erfolgreich auf dem Gebiet der Schwingungsdämpfung.

Nun zeigt die Wirtschaft Interesse an einer neuen Methode zur Tilgung von unerwünschten Schwingungen in Flugzeugturbinen. Dabei kommen sogenannte Piezokeramiken zum Einsatz – Materialien, die sich ausdehnen, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird. „Flugzeugturbinen stehen unter einer enormen Belastung“, erklärt der Leiter des Instituts für Dynamik und Schwingungen, Prof. Jörg Wallaschek. „Die Turbinenschaufeln geraten in Schwingung, wodurch das Material geschwächt wird und die Turbine schließlich kaputt gehen kann.“

Einer seiner Absolventen, der Diplom-Ingenieur Sebastian Schwarzendahl, hat über dieses Thema, die Bedämpfung eines vereinfachten Turbinenschaufelkranzes, seine Diplomarbeit verfasst und wurde dafür mit dem E.ON Future Award ausgezeichnet.

Um die Schwingung zu dämpfen, werden Piezokeramiken direkt auf der Turbinenschaufel eines Schaufelkranzes angebracht und durch ein elektrisches Netzwerk beschaltet. „Das muss man sich so vorstellen, als würde man ein Pflaster aufkleben. Allerdings kann die Piezokeramik auch direkt in die Schaufel integriert werden“, erklärt Professor Wallaschek die neue Technik. Ist die Piezokeramik aufgebracht, wächst und schrumpft sie in der gleichen Frequenz, in der auch die Turbinenschaufel schwingt. „Dadurch überlagern sich die mechanische Schwingung der Schaufel und die Schwingung im elektrischen Netzwerk der Piezokeramik und neutralisieren sich gegenseitig“, erläutert Professor Wallaschek. Allerdings müssten an mehreren Schaufeln eines Schaufelkranzes Piezokeramiken angebracht werden, um die Schwingung optimal zu dämpfen. „Eine reicht da nicht aus.“

Die neue Technik macht Turbinenschaufeln schwingungsunempfindlicher und sorgt damit für eine höhere Sicherheit. Außerdem kann durch die Schwingungsoptimierung die Turbine einer stärkeren Belastung standhalten. Die Einsetzbarkeit beschränkt sich nicht nur auf den Flugzeugbau. Auch in Kraftwerken und Fabriken ist die Technik umsetzbar. Ob sich durch die neue Methode auch die Lebensdauer der Turbine erhöht, kann erst untersucht werden, wenn ein Partner in der Industrie gefunden ist. Erste Gespräche mit Unternehmen laufen derzeit.

Die Idee, Piezokeramiken zur Schwingungsdämpfung einzusetzen, ist nicht ganz neu. Die Technik ist schon bei KFZ-Scheibenbremsen zum Einsatz gekommen. Hier unterdrückt sie das Bremsenquietschen. „Schon als man die Eigenschaften der Piezokeramiken entdeckte, war klar, dass in der Schwingungsforschung Einiges damit möglich sein würde“, berichtet Professor Wallaschek. „In Deutschland zählen wir mit Sicherheit zu den ersten drei Arbeitsgruppen, die sich mit dem Einsatz von Piezokeramiken an Turbinenschaufeln beschäftigen. Aber nur hier in Hannover sind die Möglichkeiten gegeben, die Theorie in Experimenten zu prüfen.“ Räumlichkeiten, Ausstattung und Forschungsgelder erlauben realitätsnahe Versuche direkt am Institut. Zwar können die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler kein komplettes Flugzeugtriebwerk betreiben, aber ein großer Elektromotor ist ein adäquater Ersatz dafür. Dieser treibt einen Schaufelkranz an, an dem die Piezokeramiken-Methode eingehend geprüft werden kann.