Statorschaufeln erklärt: Der Schlüssel zur Turbinenleistung und was passiert, wenn sie ausfallen

Haben Sie sich jemals gefragt, wie ein riesiges Düsentriebwerk funktioniert? Es ist nicht nur ein Teil. Es ist ein Team von Teilen, die alle zusammenarbeiten. Zwei der wichtigsten Teile sind der Stator und der Rotor. Dieser Artikel ist ein einfacher Leitfaden, der Ihnen helfen soll, die Statorschaufel zu verstehen. Wir werden uns ansehen, was sie ist. Wir werden sehen, warum sie für jede Turbine und jedes Strahltriebwerk so wichtig ist. Wir werden auch erfahren, wie eine Fehleranalyse aussieht, wenn etwas schief geht. Lesen Sie weiter, um mehr über den geheimen Helden im Inneren der stärksten Triebwerke der Welt zu erfahren.

Was genau ist eine Statorschaufel?

Ein Leitapparat ist ein Teil, das an einer Stelle bleibt und sich nicht bewegt. Es befindet sich in einer Turbine oder einem Kompressor. Man kann es sich wie eine Flosse oder ein Profil vorstellen, das an einer ganz bestimmten Stelle angebracht ist. Er unterscheidet sich von den sich drehenden Rotorblättern. Der Stator bewegt sich überhaupt nicht. Seine Aufgabe ist es, die Art und Weise zu steuern, wie sich die Luft oder das Gas durch den Motor bewegt. Er steuert auch die Geschwindigkeit der Luft oder des Gases. Ein Stator ist in vielen Maschinen zu finden. Das reicht von einem großen Düsentriebwerk bis hin zu einer kleineren Turboladerturbine.

Jeder Stator besteht aus vielen dieser kleinen Flügel, die als Schaufeln bezeichnet werden. Diese Schaufeln sind kreisförmig im Außengehäuse des Motors angeordnet. Ein Stator kann sich im Verdichterteil befinden, der die Luft zusammenpresst. Es kann sich auch im Turbinenteil befinden, der aus heißem Gas Strom erzeugt. Die wichtigste Aufgabe des Leitapparats ist es, den Luft- oder Gasstrom zu lenken. Sie richtet ihn auf die nächste Gruppe beweglicher Schaufeln aus. Diese beweglichen Schaufeln sind Teil des Rotors. Dieses gute Zusammenspiel macht einen Motor stark und funktionstüchtig.

Wie funktioniert ein Stator mit einem Rotor?

Die Art und Weise, wie Stator und Rotor zusammenarbeiten, ist wie ein perfekter Tanz. Der Rotor dreht sich sehr, sehr schnell. Er wird durch die Kraft von Luft oder Gas angetrieben. Seine Schaufeln drücken die Luft oder das Gas, damit der Motor funktioniert. Aber wenn die Luft oder das Gas aus der falschen Richtung auf den Rotor trifft, geht eine Menge Leistung verloren. Hier kommt der Stator ins Spiel.

Der Stator befindet sich kurz vor oder kurz nach einem sich drehenden Rotor. Wenn die Luft einen sich drehenden Rotor verlässt, dreht sich auch die Luft selbst. Der sich nicht bewegende Stator fängt diese sich drehende Luft auf. Dann sorgt er dafür, dass die Luft wieder gerade fließt. Er funktioniert wie eine Reihe von Leitschaufeln. So kann die Luft im perfekten Winkel auf die nächste Gruppe von Rotorblättern treffen. Diese Abfolge von Schritten - drehen, geradebiegen, drehen, geradebiegen - wiederholt sich im Motor immer wieder. Dieser Tanz zwischen dem Stator und dem Rotor hilft dem Motor, einen sehr hohen Druck aufzubauen. Dieser hohe Druck bedeutet mehr Leistung. Die Art und Weise, wie der Stator und der Rotor zusammenarbeiten, ist sehr wichtig für die Funktionsweise einer Turbine.

Warum sind Statoren in einer Turbine oder einem Kompressor so wichtig?

Ein Stator ist sehr wichtig, damit ein Motor gut funktioniert, ohne Energie zu verschwenden. Ohne einen Stator wäre eine Turbine oder ein Kompressor sehr schwach. Der Hauptgrund dafür ist der Druck. Bei einem Kompressor besteht das Hauptziel darin, die Luft fest zusammenzupressen. Dies wird als Druckerhöhung bezeichnet und geschieht in jeder Stufe. Der Stator trägt dazu bei, diesen Druck zu erhöhen. Er verlangsamt die Luft, die vom Rotor kommt. Auf diese Weise wird die Geschwindigkeit der Luft in mehr Druck umgewandelt.

Dadurch kann der Verdichter viel besser arbeiten. Bei einer Nutzturbine bewirkt der Stator das Gegenteil. Er sorgt dafür, dass sich das heiße Gas schneller bewegt. Dann richtet er dieses Gas auf die Turbinenschaufeln. Dadurch dreht sich die Turbine mit größerer Kraft. Eine bessere Kontrolle über die Strömung bedeutet, dass der Wirkungsgrad der Turbine besser ist. Ein gutes Stator-Design sorgt für eine bessere aerodynamische Leistung. Das bedeutet auch, dass weniger Energie verschwendet wird und der Motor leistungsfähiger ist. Der Stator sorgt dafür, dass der Motor unter allen verschiedenen Betriebsbedingungen korrekt funktioniert.

Können Sie die Beziehung zwischen Stator und Rotor in einem Strahltriebwerk erklären?

In einem Düsentriebwerk ist das Zusammenspiel von Stator und Rotor sehr wichtig. Ein Düsentriebwerk hat zwei Hauptteile, in denen diese Zusammenarbeit von Stator und Rotor stattfindet. Vorne befindet sich der Verdichter, hinten die Turbine. Der Verdichter besteht aus mehreren Stufen. Jede Stufe hat einen Satz Rotorblätter und einen Satz Statorschaufeln. Der Rotor gibt Energie und Geschwindigkeit an die Luft ab. Das Leitrad wandelt diese Geschwindigkeit dann in einen höheren Druck um. Dies geschieht immer wieder. Dadurch wird die Luft sehr dick und heiß, bevor der Kraftstoff beigemischt wird.

Nachdem der Brennstoff verbrannt ist, bewegt sich das heiße Gas, das sehr viel Energie enthält, sehr schnell nach hinten. Dort gelangt es in den Turbinenteil. Die Hochdruckturbine hat auch Stufen von Stator- und Rotorteilen. Die Stator-Düsen schießen das heiße Gas auf die Turbinenschaufeln. Dadurch werden sie in Drehung versetzt. Durch diese Drehung wird der Verdichter an der Vorderseite des Motors angetrieben. Der genaue Winkel der Statorschaufeln ist sehr wichtig. Schon ein winziger Fehler kann einen unregelmäßigen Luftstrom verursachen, der das Triebwerk beschädigen kann. Die Luft im Innern des Düsentriebwerks erfährt eine komplexe Strömung. Sie bewegt sich sehr schnell, fast mit Schallgeschwindigkeit, in einem Strömungsfeld im transsonischen Zustand.

Was erzeugt eine Statorschaufel eigentlich?

Das ist eine sehr gute Frage. Eine Statorschaufel erzeugt keine Leistung wie ein Rotor. Der Rotor ist der Teil, der die Arbeit verrichtet. Was macht also ein Stator? Ein Stator sorgt für die beste Situation für den Luftstrom. Dadurch kann der Rotor seine Aufgabe sehr gut erfüllen. Er macht die Luft oder das Gas bereit.

Stellen Sie sich das vor wie eine Person, die bei einem Baseballspiel wirft. Der Pitcher (der Stator) erzielt keinen Run. Aber indem er den Ball mit der richtigen Geschwindigkeit und dem richtigen Winkel wirft, bereitet er den Schlagmann (den Rotor) darauf vor, einen Homerun zu erzielen. Die Statorschaufel hat drei wesentliche Auswirkungen auf die Strömung:

• Er ändert die Richtung. Er biegt den Luftstrom in die richtige Richtung. Seine Aufgabe ist es, den Strom umzulenken.
• Sie verändert die Geschwindigkeit. Sie kann die Strömung langsamer machen, um den Druck zu erhöhen (in einem Kompressor). Oder sie kann die Strömung schneller machen, um mehr Kraft zu erzeugen (in einer Turbine).
• Sie beseitigt unerwünschte Verwirbelungen. Er verhindert, dass die Luft oder das Gas in einer Weise verwirbelt, die nicht hilfreich ist. Dadurch wird die Strömung gleichmäßiger und besser.

Auf diese Weise trägt der Stator dazu bei, dass der Motor mehr Leistung ohne Verlust erzeugt. Die spezielle aerodynamische Form der Schaufel ist für diesen Zweck konzipiert.

Wie kommt es zum Ausfall der Statorschaufeln?

Selbst die Teile, die sehr robust gebaut sind, können brechen. Der Ausfall von Leitschaufeln ist ein großes Problem für jede Turbine. Einer der Hauptgründe für das Versagen von Teilen ist die so genannte Metallermüdung. Dies kann zu Ermüdungsbrüchen führen. Dies geschieht, weil das Leitrad ständig von schnell fließender Luft getroffen wird. Außerdem unterliegt er großen Temperatur- und Druckschwankungen. Nach Tausenden von Betriebsstunden können kleine Risse entstehen und größer werden. Dies geschieht häufig in der Nähe der hinteren Kante der Schaufel, der sogenannten Hinterkante.

Ein weiterer wichtiger Grund für Ausfälle sind Erschütterungen, also Vibrationen. Die hohe Drehzahl des Motors kann Teile zum Wackeln bringen. Wenn das Rütteln genau die richtige Geschwindigkeit für die Statorschaufel hat, kann sie so stark rütteln, dass sie auseinanderbricht. Auch kleine Materialstücke im Motor, wie z. B. ein Eisstück oder eine abgebrochene Kompressorschaufel, können einen Stator treffen und ihn zum Ausfall bringen. Wenn eine Statorschaufel ausfällt, kann dies eine Reihe von Fehlfunktionen auslösen. Dadurch können der Rotor und andere Teile des Motors beschädigt werden. Es gibt viele Berichte über Ausfälle, die mit dem Bruch eines einzigen kleinen Statorteils beginnen.

Wie führen Experten eine technische Fehleranalyse an einem Stator durch?

Wenn ein Stator ausfällt, beginnt eine technische Fehleranalyse. Dies ist wie ein Krimi für Ingenieure. Ihr Ziel ist es, genau herauszufinden, warum das Teil kaputt gegangen ist. So kann sichergestellt werden, dass so etwas nicht noch einmal passiert. Als Erstes werden alle Bruchstücke sorgfältig zusammengetragen. Die Ermittler sehen sich die Oberfläche der Teile mit einem Mikroskop an. So finden sie heraus, wo der Riss entstanden ist.

Ingenieure verwenden spezielle Werkzeuge. Mit einer numerischen Analyse kann ein Computermodell der Kräfte und der Hitze erstellt werden, denen der Stator ausgesetzt war. Dieses Computermodell kann zeigen, ob die Belastung an einer bestimmten Stelle zu hoch war. Sie führen auch eine numerische und experimentelle Studie durch. Bei dieser Studie wird ein Teil getestet, das genau wie das kaputte Teil aussieht, bis es bricht. Auf diese Weise wird festgestellt, ob es auf die gleiche Weise versagt. Manchmal wird auch XCT eingesetzt. Dabei handelt es sich um ein leistungsfähiges 3D-Röntgengerät, mit dem man im Inneren des Metalls nach Problemen suchen kann, die man nicht sehen kann, ohne das Teil zu zerschneiden. Mit einem Koordinatenmesssystem kann überprüft werden, ob die Schaufel in der richtigen Form und Größe hergestellt wurde. Wenn man die Hauptursache für das Problem findet, kann man gute Lösungen vorschlagen, um es zu beheben.

Was sind die Anzeichen für einen defekten Stator in einer Turbine?

Man kann das Innere einer Turbine nicht sehen, während sie läuft. Woher weiß man also, ob ein Stator ein Problem hat? Piloten und Ingenieure achten auf bestimmte Anzeichen. Ein ausgefallener Stator stört den reibungslosen Luftstrom. Dies kann verschiedene Probleme verursachen.

Hier sind einige häufige Anzeichen, auf die Sie achten sollten:

• Leistungsverlust: Wenn das Leitrad die Luft nicht richtig leitet, erzeugt die Turbine nicht so viel Leistung. Der Massendurchsatz der Luft kann sinken.
• Erhöhte Vibrationen: Eine gebrochene oder gerissene Statorschaufel kann den Motor aus dem Gleichgewicht bringen. Dies kann zu starken Vibrationen führen.
• Seltsame Geräusche: Ein Stück einer gebrochenen Schaufel, das sich im Motor bewegt, kann sehr unangenehme Geräusche verursachen.
• Hohe Abgastemperatur: Wenn bei einer Gasturbine die Luft aufgrund eines defekten Stators nicht gut strömt, kann dies zu einem Anstieg der Abgastemperaturen führen. Dies ist ein wichtiges Warnzeichen.
• Triebwerksstillstand: Bei einem Düsentriebwerkskompressor kann ein schlechter Luftstrom aufgrund eines ausgefallenen Stators einen Kompressorstillstand verursachen. Dies ist der Fall, wenn der Luftstrom stoppt oder sogar rückwärts läuft. Dies kann einen lauten Knall und einen Verlust der Triebwerksleistung verursachen. Dies kann durch ein inkompatibles Druckverhältnis verursacht werden.

Wie können wir die Konstruktion und Fertigung von Statorschaufeln verbessern?

Die Ingenieure versuchen immer, den Stator zu verbessern. Das Ziel ist, ihn stärker und leichter zu machen und mit weniger Abfall zu arbeiten. Ein wichtiger Bereich ist die Optimierung der aerodynamischen Form. Das bedeutet, die beste Form zu finden. Mithilfe leistungsfähiger Computermodelle können die Konstrukteure eine Schaufelform entwickeln, die die Luft ohne großen Energieverlust leitet. Dies ist Teil einer numerischen Studie, um die Funktion der Teile zu verbessern. Dies ist besonders wichtig für Bedingungen wie die in großen Höhen, die als Bedingungen mit niedriger Reynoldszahl bezeichnet werden.

Auch die Materialien, aus denen der Stator hergestellt wird, werden immer besser. Neue Metalltypen können größere Hitze und mehr Belastung aushalten. Dies ist im Turbineneinlassbereich des Motors, wo das Gas am heißesten ist, sehr wichtig. Bessere Herstellungsmethoden sind ebenfalls hilfreich. So kann beispielsweise die Oberflächenbeschaffenheit von Teilen aus TA19-Titanlegierungen durch ein Verfahren namens kavitationsgestütztes, abrasives, integriertes Wasserstrahlpeening verbessert werden. Durch dieses Verfahren wird die Oberfläche des Metalls wesentlich widerstandsfähiger und weniger anfällig für Risse. Dies verbessert die Integrität der TA19-Titanlegierung, die in modernen Motoren verwendet wird.

Ist die additive Fertigung die Zukunft für Statorschaufeln?

Ja, die additive Fertigung, die auch als 3D-Druck bezeichnet wird, verändert die Herstellung von Statorschaufeln. In der Vergangenheit war die Herstellung eines Stators mit einer komplexen Form schwierig und kostete viel Geld. Mit der additiven Fertigung kann ein Stator Schicht für Schicht aus einem Metallpulver aufgebaut werden. Dadurch können neue Formen geschaffen werden, die bisher nur schwer oder gar nicht möglich waren. Zum Beispiel kann ein Stator mit Kühlkanälen im Inneren gedruckt werden. Diese Kanäle helfen ihm, mit sehr großer Hitze umzugehen.

Diese neue Technologie ist ein Weg zu einer besseren Optimierung. Sie kann auch Teile herstellen, die weniger wiegen, was für Flugzeuge sehr wichtig ist. Aber es gibt noch einige Herausforderungen. Es ist sehr wichtig, dass die geometrische Stärke und die Qualität eines 3D-gedruckten Teils gut sind. Viele Leute untersuchen die geometrische Genauigkeit der in LPBF hergestellten Statorteile. Mit dieser Arbeit soll sichergestellt werden, dass die Genauigkeit der in LPBF hergestellten Statorschaufeln genauso gut oder sogar besser ist als die der mit älteren Methoden hergestellten Originalteile. Da diese Technologie immer besser wird, können Sie davon ausgehen, dass Sie in den nächsten Motoren mehr 3D-gedruckte Statorteile sehen werden.

Die wichtigsten Punkte zur Erinnerung

• Statoren sind stationär: Im Gegensatz zu sich drehenden Rotoren sind Statoren Teile, die in einem Motor an einer Stelle bleiben.
• Sie sind Strömungslenker: Die Hauptaufgabe eines Statorflügels besteht darin, Luft oder Gas so zu leiten, dass sie im perfekten Winkel auf den nächsten Satz von Rotorblättern treffen.
• Teamwork ist der Schlüssel: Die Art und Weise, wie Stator und Rotor zusammenarbeiten, macht einen Kompressor oder eine Turbine leistungsstark und effizient.
• Ein Ausfall ist ernst zu nehmen: Ein defekter Stator kann zu Rütteln, Leistungsverlusten und sogar zum Ausfall des gesamten Motors führen.
• Die Zukunft ist neue Technologie: Neue Designideen, bessere Materialien und neue Technologien wie die additive Fertigung machen Statorschaufeln stärker und besser als je zuvor.