Compressor- en turbineschoepen zijn belangrijke onderdelen voor vliegtuigmotoren en gasturbines. Beschadigingen repareren is vaak goedkoper dan een nieuwe schoep inbouwen. Maar ook de reparaties zijn duur. Een robot ondersteund proces zorgt nu voor meer efficiency.
De branche van de Duitse turbomachines is sterk aan het groeien. In de afgelopen 25 jaar kon het aandeel op de wereldmarkt verdubbelen van 15 naar 30%. Voor de fabrikant is de servicedienst, dus onderhoud- en reparatie werkzaamheden (in het Engels: Maintenance, Repair and Overhaul, afgekort MRO) steeds belangrijker. Zwaar belast onderdelen in de turbomachines zijn vooral de schoepen van de compressor en de turbine. Die hebben als taak om de stromingsenergie in mechanische energie om te zetten. Dat zorgt ervoor, dat vliegtuigmotoren de benodigde stuwkracht leveren of generatoren in centrales voldoende stroom leveren.
“Beschadigingen aan de schoepen van vliegtuigturbines ontstaan onder andere door slijtage als gevolg van trillingen en wrijving of erosie door zand- en stofdeeltjes. Andere oorzaken zijn een harde landing, waarbij motoronderdelen elkaar raken of grotere objecten, die in de motor slaan”, zegt Martin Bilz, manager bij »Fertigungstechnologien« aan het Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK in Berlin. De geometrisch complexe onderdelen, meestal van titaan- of nikkel gelegeerd staal verbuigen of scheuren, waardoor de luchtstroming niet meer optimaal is. Hierdoor kan het vermogen van de motoren verminderen en het brandstofverbruik stijgt.
Tijdrovende handenarbeid
Het is lonend om de beschadigde onderdelen te repareren. Een losse turbineschoep kost afhankelijk van het niveau en de grootte van de motor meerdere duizenden euro’s. Bij meer dan 80 schoepen per machine zou de gebruiker van de motoren al snel met enorme bedragen worden geconfronteerd. Reparatie is dan tot ruim 50% goedkoper. Maar deze processen zijn zeer complex.
De aparte stappen kunnen niet simpel in een grotendeels geautomatiseerde serieproductie worden geïntegreerd. Specialisten bewerken de onderdelen met de hand of met speciaal daarvoor ingestelde machines. Afhankelijk van de grootte van de schoep kan het meerdere uren tot een aantal dagen duren, voordat deze weer is gerepareerd. Vanwege de strenge kwaliteitsbewaking in de luchtvaartindustrie zijn losse roterende motorcomponenten vaak pas na 2-3 weken weer beschikbaar.
De Fraunhofer-Innovationsclusters MRO hebben met de Forschungseinrichtungen IPK en het Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb IWF van de TU Berlin als doel gesteld om een geautomatiseerd, robot ondersteund proces te ontwikkelen. “Terwijl machines even duur blijven, worden robots steeds goedkoper en kunnen die ondertussen ook bewerkingen uitvoeren”, geeft Bilz op als aanleiding voor de instituten.
De onderzoekers werden ondersteund door specialisten van turbomachinefabrikanten als MAN, MTU, Rolls-Royce en Siemens. Samen met andere partners uit industrie en onderzoek slaagde het IPK erin om niet alleen aparte processtappen geschikt te maken voor automatisering.
Reparatie van turbine in stappen
Bilz en zijn collega’s ontwikkelden ook een proces, waarbij een robot binnen een aparte productiecel meerdere reparatiestappen kon uitvoeren. Speciaal hieraan is, dat de robot het onderdeel steeds goed vast heeft als hij zich naar de aparte stations beweegt binnen een straal van ongeveer 15 m². Hij reinigt het onderdeel, controleert de geometrie en de gebreken en bewerkte deze verspanend.
“De robot ondersteunende productiecel is niet alleen een goed voorbeeld voor grondstof besparende en energie efficiënte MRO-processen, maar heeft ook impulsen geleverd voor de productie van nieuwe turbo machinecomponenten. Dat maakt de reparatie van compressorschoepen nauwkeuriger, sneller en goedkoper. We willen nu zorgen, dat deze technologie ook snel in de productiehallen van de industrie terechtkomt”, beschrijft Bilz het belang van zijn ontwikkeling voor de industrie. De wetenschappers van het IPK tonen het proces op de Paris Air Show (SIAE) van 17 tot 23 juni 2013 in Paris-Le Bourget (hal 1, stand 316).
Innovatiecluster
Fraunhofer promoot dit thema nog verder: eind mei start het nieuwe innovatiecluster »Life Cycle Engineering für Turbomaschinen«. Behalve het IPK nemen de beide Fraunhofer-Instituten für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM en für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut, HHI uit Berlijn en het IKTS uit Dresden (Institüt für Keramische Technologien und Systeme) deel.
Bilz geeft een samenvatting van de inhoud van het cluster: “Het is ons doel om energie efficiënte en grondstof besparende technologieën te creëren voor alle levenscycli van turbomachines. Behalve MRO bekijken we ook de voorafgaande processtappen ontwerp en productie. Hierbij staan motoren in de luchtvaart en gasturbines in de energievoorziening centraal”.
Lees meer in de publicatie van het Fraunhofer instituut
