Resolution and assignment of defects in the hot-gas path of aircraft engines by means of the density distribution in the exhaust jet

Die Wartung und Instandhaltung ziviler Flugtriebwerke ist ein zeit- und kostenintensiver Prozess. Der Wartungsumfang kann häufig erst im laufenden Regenerationsprozess definiert werden, da ein Großteil der kostentreibenden Defekte im Heißgaspfad (HGP) erst nach der Demontage erkannt werden können. Die a priori Vorhersage der Wartungskosten und Durchlaufzeit unterliegt somit einer großen Unsicherheit, die im Widerspruch zum Wunsch der Fluglinien nach einem vorab definierten Festpreis für die Wartung steht. In dieser Arbeit wird ein Beitrag zu einer frühzeitigen Zustandsbeurteilung von Triebwerken vor der Demontage geleistet. Hierzu wird eine neuartige Methodik postuliert, die durch eine Kombination von numerischen Simulationen, optischen Messungen und den Einsatz von Mustererkennungsalgorithmen eine automatisierte Erkennung von Defekten im HGP von Triebwerken vor der Demontage ermöglicht. Die grundsätzlichen Voraussetzungen für eine solche Methodik werden auf ihre Umsetzbarkeit getestet. Die Methodik sieht vor, die Dichteverteilung im Abgasstrahl mit der tomographischen Background-Oriented Schlieren (BOS) Methode mehrdimensional zu rekonstruieren und so defektbasierte Dichtestrukturen aufzulösen, die ihren Ursprung in lokalen Beschädigungen im HGP haben. Es wird gezeigt, dass speziell algebraische Rekonstruktionsalgorithmen für die Rekonstruktion der Dichteverteilung im Abgasstrahl geeignet sind, da diese, verglichen mit den analytischen Algorithmen, eine höhere Rekonstruktionsqualität und somit Auflösung defektbasierter Dichtestrukturen ermöglichen. Durch eine neuartige Kombination beider Algorithmen kann die bisher übliche Problematik der Rekonstruktion großer Dichtegradienten beseitigt, und eine signifikante Verbesserung der Rekonstruktionsqualität erreicht werden. In einem Modellversuch an einer Ringbrennkammer wird anschließend gezeigt, dass eingebrachte Defekte einen Einfluss auf die Dichteverteilung im Abgasstrahl nehmen und hier mit der BOS-Methode detektiert werden können. Die Auflösung des implementierten Algorithmus ist hoch genug, um mit Hilfe geeigneter integraler Größen eine Parametrisierung der Defekteinflüsse auf die Dichteverteilung im Abgasstrahl zu erreichen. Die so gewählten integralen Parameter ermöglichen eine automatisierte Klassifizierung der BOS-Messungen mit Support-Vektor-Maschinen (SVM). Die Übertragung auf das Flugtriebwerk erfolgt anschließend mit numerischen Simulationen und synthetischen BOS-Messungen. Es wird gezeigt, dass die Kombination von BOS mit SVM geeignet ist, um Defekte und deren Kombinationen im HGP von Triebwerken automatisiert zu detektieren. Die zuvor am Modellversuch identifizierten integralen Parameter erlauben es, den Einfluss der untersuchten Defekte zu isolieren und so auch Defektkombinationen mit einem Mehr-Klassen SVM-Ansatz zu detektieren. Die Ergebnisse dieser Arbeit legen nah, dass der postulierte Ansatz eine signifikante Verbesserung in der frühzeitigen Zustandsbeurteilung von Triebwerken leisten kann