Triebwerkprüfstände

18. September 2003

Hydraulikzylinder übernehmen entscheidende Sicherheitsfunktionen in Triebwerkprüfständen

Die Sicherheit von Passagieren gilt als oberstes Ziel in der Luftfahrt. Sie beginnt bekanntermaßen nicht erst beim Einchecken kurz vor dem Abflug, sondern weitaus früher. Deshalb unterzieht die Lufthansa Aero in ihrem Instandsetzungswerk in Alzey die Triebwerke von Airbus, Boing und Konsorten Belastungstests. Ein entsprechender Prüfstand setzt dabei auf die Vorteile der Hydraulik.
Die Lufthansa als führende deutsche Fluggesellschaft will ihren Passagieren nicht nur das Gefühl von Sicherheit vermitteln, sondern auch tatsächlich geben. Natürlich gilt dies auch für alle anderen Fluggesellschaften weltweit. Deshalb trat die Lufthansa Aero an den Maschinenhersteller Görgü Hydraulik-Maschinenbau in Henstedt-Ulzburg im Sommer 2001 heran, mit der Bitte, umfassendes Prüfstandsequipment für Jet-Triebwerke zu entwickeln und zu bauen. Der Kaufmännische Leiter und Systemingenieur, Klaus Seiler erinnert sich noch heute gut an die Situation: „Dieses Vertrauen in uns hat uns so beflügelt, dass wir ein richtig brillantes Meisterstück abliefern wollten hinsichtlich Konstruktion, integrierter Sicherheiten und Qualität unserer Arbeit.

“Mittlerweile sind zwei, der von Lufthansa bestellten Triebwerksadapter mit integrierter Systemplattform, einem Elevator, um die Triebwerksadapter im Schubmessgerüst zu verankern und einiges andere Equipment geliefert. Ein dritter Triebwerksadapter wird bis zum Herbst 2003 fertig sein. Interessant ist dabei die Rolle der Hydraulik – vor allem die der Hydraulikzylinder. Denn eigentlich stellt man sich einen Hydraulikzylinder als mehr oder minder normales Standardteil vor, das es an jeder Ecke zu kaufen gibt. Für bestimmte Bewegungen, gewürzt mit hohen Qualitätsansprüchen, reduziert sich die Angebotspalette allerdings in deutlichem Umfang. „Obwohl wir im hohen Norden beheimatet sind, entschlossen wir uns, einen Zylinderlieferanten aus dem südlichen Schwarzwald auszuwählen“, berichtet Klaus Seiler im Gespräch mit der Redaktion.

Der Prüfstand besteht prinzipiell aus drei Teilstücken. Ganz oben an der Decke hängt das eigentliche Schubmessgerüst, darunter befindet sich der Elevator, der für das Hochziehen der dritten Prüfstandkomponente, dem Triebwerkadapter, zuständig ist. Derzeit gibt es zwei Adapter für die Triebwerk-Serien CE34-3 und die neuere Variante CE34-8C von General Electric. In Planung sind weitere Adapter für die CF34-Serie (CF34-8D und CF34-10), die möglicherweise im kommenden Jahr realisiert werden.

Im Adapter befindet sich eine sogenannte Systemplattform integriert – für die einheitlichen Übergabestellen von Messstellen und Versorgungsleitungen der unterschiedlichen Triebwerkstypen. In jedem dieser Triebwerkadapter befinden sich fünf Hydraulikzylinder.

Zwei davon werden benötigt, um die vier Tonnen schweren Triebwerke über zwei Seilzüge in die Aufnahme zu heben. Dies geschieht in stufenloser Geschwindigkeit mit Hilfe eines Joysticks, weil die SPS zwei hydraulische Proportional-Wegeventile ansteuert. Bei den beiden Normzylindern aus dem Hause AHP Merkle handelt es sich um doppeltwirkende Normzylinder für Drucksysteme bis 250 bar. Der Kolbendurchmesser beträgt 63 mm, die Kolbenstange 40 mm und der Hub 700 mm. Befestigt werden die Einheiten direkt am Adapterrahmen über einen konventionellen, stirnseitigen Flanschanschluss.

Zwei weitere sorgen für das Heben und Senken der Triebwerkshauben, die für eine realitätsnahe Aerodynamik sorgen sollen. „Dies ist deshalb notwendig“, erklärt Klaus Seiler, „weil während der Testläufe ständig bestimmte Messparameter unter den Seitenverkleidungen abgelesen werden müssen.“ Hier sind doppeltwirkende Normzylinder für ein Druckniveau von 160 bar verwendet worden, mit 40er Kolbendurchmesser und 28er Kolbenstange. Der Hub beträgt 950 mm. Außerdem wurde ein Blockzylinder mit Näherungsschalter (Kolben 40, Kolbenstange 25, Hub 50 mm) benötigt, der die Verriegelung der Bellmouth am Triebwerkadapter übernimmt – jener glockenförmigen Ansaugöffnung vor der Turbine.

Das zweite Standbein neben dem Bau von Prüfständen ist bei Görgü Hydraulik-Maschinenbau der Servicebereich. Das bedeutet, dass sich das Unternehmen auch um die Ersatzteilbeschaffung und -lieferung kümmert. Deshalb wissen die Verantwortlichen dort, wie Klaus Seiler bestätigt, „dass Qualität plus Liefertermintreue bei sicherheitsrelevanten Anlagen oder Produktionsanlagen mit hohen Standzeitkosten durch nichts zu ersetzen ist – schon gar nicht Rabatt-Poker. Für uns ist die Qualität und Sicherheit der Zylinder und die schnelle Verfügbarkeit ein wichtiges Kriterium“, betont er bewusst noch mal.

Wer es nicht weiß, ist zuallererst einmal verblüfft: Bei AHP Merkle sind sämtliche Zylinder mit gehärteten, verchromten und geschliffenen Kolbenstangen standardmäßig ausgeführt. Denn das Unternehmen hat sich bereits vor Jahrzehnten darauf spezialisiert, Hydraulikzylinder für besonders harte Umgebungsbedingungen wie sie in der Spann- und Stanztechnik vorkommen, zu entwickeln. Dort gehören Vibrationen, Druckstöße, Querkräfte und vieles andere, was Hydraulikzylinder gar nicht gerne spüren, zum Alltag. „Auch wir haben anfangs viel Lehrgeld bezahlt“, wie Firmengründer Gerhard Merkle auf Nachfrage bestätigt. „Heute allerdings beneiden uns viele um unser Know-how.“

Die Qualität jeder einzelnen Komponente ist in den Prüfständen deshalb so wichtig, weil die Triebwerke während der Testläufe enorme Vibrationen durch elastische Aufhängung im Schubmessgerüst erzeugen und Luftströmungen bis zu 50 km/h.
Das Hydraulikaggregat, die Ventilsteuerblöcke, die elektrischen Komponenten und die elektronische Steuerung sind zwar vorwiegend über Schwingungsdämpfer geschützt. Die Hydraulikzylinder müssen diese Schwingungen aber trotzdem problemlos wegstecken können. Klaus Seiler betont: „Deshalb sind wir auf Zylinder angewiesen, die unter diesen extremen Bedingungen keinen Schaden erleiden.“

Im Elevator, der die Triebwerke aufnimmt und über vier Seile und einen Hydraulikzylinder vom Schubmessgerüst in die Haltevorrichtung an der Decke gezogen wird, befinden sich vier weitere Hydraulikzylinder. Sie dienen zum festen Verriegeln der gesamten Konstruktion während der Prüfläufe. „Sobald die Turbinen ihren Schub von bis zu 15.000 Pounds entwickeln, muss die Hydraulik abgeschaltet sein“, erklärt Klaus Seiler.

Für die Realisierung einer solchen Sicherheitsschaltung, die besonders auch gegen die auftretenden Vibrationen notwendig ist, gibt es prinzipiell zwei Wege. Entweder fixiert ein mit Stickstoff vorgespannter Membran- oder Blasenspeicher die Verriegelungszylinder in ihrer Position oder eine zusätzliche mechanische Feder übernimmt diese Aufgabe. Beim Lufthansa-Triebwerkprüfstand hat man sich für die zweite Lösung entschieden, weil sie deutlich kostengünstiger, konstruktiv einfacher und überdies wartungsfrei ist.

Alle vier Hydraulikzylinder der Spezifikation HZN sind kompakte Rundzylinder mit druckfesten Näherungsschaltern. Die Schalter sind serienmäßig gegen Vertauschen von Plus und Minus geschützt. Aufgrund des eingebauten Ausgangsverstärkers sind keine weiteren Zusatzgeräte erforderlich. Ein Relais kann damit direkt angesteuert werden. Die Schaltgenauigkeit beträgt 0,05 mm. Die Näherungsschalter dienen dazu, den Verriegelungsstatus optisch zu signalisieren. Wesentlich wichtiger sind sie allerdings für die elektronische Sicherheitsverriegelung, damit nicht versehentlich ein Triebwerksadapter mit dem gesamten Triebwerk von der Decke fällt.

Die doppeltwirkenden Zylinder mit frontseitigem, rechteckigen Flanschanschluss sind für ein Druckniveau von 160 bar ausgelegt, sie besitzen einen Kolbendurchmesser von 100 mm, einen Stangendurchmesser von 40 mm und 100 mm Hub.

Für Klaus Seiler und das 20 Mitarbeiter zählende Unternehmen ist dieser Prüfstand ein richtig bedeutender Auftrag: „Da darf nichts schief gehen, wenn ein Triebwerk im Wert von einigen Millionen Euro ,am Haken’ hängt. Deshalb darf der Begriff Qualität nicht nur eine Schlagzeile in einem Werbeprospekt zieren, sondern wir müssen sie deutlich spüren.“

Ein zweiter wichtiger Punkt für Seilers Lieferantenentscheidung war, „dass die Leute in der Konstruktion über den elektronischen Produktkatalog von AHP Merkle alle notwendigen 3D-Zeichnungen der Zylinder direkt in ihr CAD-System übernehmen konnten.“ Gleiches gilt natürlich auch für die Auslegung und Bestellung, die ebenfalls dort vorgenommen werden kann. „Eine vertrauensvolle Zusammenarbeit hört eben nicht beim reinen Produkt auf“, glaubt Klaus Seiler. So beurteilt das mit Sicherheit nicht nur die Fluglinie mit dem Kranich drauf, wenn die Piloten beim Start  Schub auf ihre Jets geben.