https://www.uantwerpen.be/nl/onderwijs/studiekeuze/infomomenten/infodagen/?utm_campaign=mediacampagne_2018&utm_medium=banner&utm_source=scriptiebank

Bird strike experiments on multiple booster vane configurations of an aircraft jet engine

Tim Cogghe
Vliegtuigen toch niet de heersers van het luchtruim?Vogelimpacts, of vertaald in het Engels naar de meer gangbare term bird strikes, zijn al sinds de eerste levensjaren van de gemotoriseerde luchtvaart een gekend en veelal dodelijk fenomeen. De pionerende gebroeders Wright waren er zich namelijk al in 1905 van bewust dat vogels in staat waren vliegtuigen neer te halen. Toch heeft het nog tot in 2009 geduurd vooraleer deze bedreiging aandacht kreeg van het gros van de wereldbevolking.

Bird strike experiments on multiple booster vane configurations of an aircraft jet engine

Vliegtuigen toch niet de heersers van het luchtruim?

Vogelimpacts, of vertaald in het Engels naar de meer gangbare term bird strikes, zijn al sinds de eerste levensjaren van de gemotoriseerde luchtvaart een gekend en veelal dodelijk fenomeen. De pionerende gebroeders Wright waren er zich namelijk al in 1905 van bewust dat vogels in staat waren vliegtuigen neer te halen. Toch heeft het nog tot in 2009 geduurd vooraleer deze bedreiging aandacht kreeg van het gros van de wereldbevolking. Wie kent nu niet het beeld van de Airbus A320 die dobberend in de New Yorkse Hudson River alle 155 inzittenden weet te dragen op beide vleugels.

Na de aanvaring tussen een zwerm Canadese ganzen met de straalmotoren, kon dankzij de snelle reactie en het kunnen van de piloot deze miraculeuze noodlanding uitgevoerd worden. Maar zelfs met de uitzonderlijke vliegvaardigheden, werd het bijhorende kostenplaatje niet vermeden. Jaarlijks leiden bird strikes tot een gigantisch monetair verlies dat geschat wordt op meer dan 1 miljard dollar. Hierbovenop heerst er in het kielzog van de financiële crisis, vandaag de dag ook nog steeds een sfeer van besparingen. Deze worden doorgetrokken in de transportsector, waarbij meer specifiek in de commerciële luchtvaart een vliegtuigticket soms zelfs minder kost dan de taxirit naar de luchthaven. Het is dus meer dan duidelijk dat botsingen tussen vogels en vliegtuigen een economische uitdaging vormen in een zeer competitieve business.

Bijgevolg heeft de Europese Commissie het ‘7th Framework Programme’ opgestart, waarbij onderzoek wordt gevoerd naar meer efficiënte en groenere transportsystemen die helpen in het respecteren van het milieu. Zo werd reeds de straalmotor van morgen ontwikkeld die, met het oog op duurzaamheid, doelt op 50 % minder CO2 uitstoot per passagier per kilometer. Deze efficiëntere straalmotor legt echter ook nieuwe werkingscondities (hogere temperatuur en hogere druk) op aan de verschillende sub-systemen. Vandaar richt een onderdeel van dit Europees programma, zijnde het ‘Engine Breakthrough Components and Subsystems’- of anders het E-BREAK-project, zich op het aanpassen van deze sub-systemen aan de nieuwe vereisten. Zo werden ondermeer innovatieve technologieën ontwikkeld om de lage druk compressor, onderdeel van de straalmotor, te verbeteren.

Niet alleen goedkoop en milieubewust, maar prioritair ook veilig wil de reiziger op zijn bestemming aankomen. Gefocust op dit veiligheidsaspect, moeten bepaalde kritische componenten, waaronder de straalmotor van het vliegtuig, ontworpen worden volgens strikte certificatievoorwaarden. Zo moet de straalmotor de luchtwaardigheid kunnen garanderen en onder bepaalde omstandigheden een veilige landing kunnen waarborgen. Deze certificatievoorwaarden zijn gedocumenteerd in de regelgeving van de ‘European Aviation Safety Agency’ en schrijven onder meer voor dat straalmotoren een vogelimpact met een massa van 1,81 kg moeten kunnen weerstaan.

In het ontwerpproces van deze vogelimpact resistente onderdelen, hebben numerieke simulaties op de computer zich reeds bewezen als efficiënt instrument. Fysische testen zijn namelijk zeer duur en tijdrovend, waardoor deze niet de optimale manier van werken zijn. Desalniettemin dienen de gebruikte numerieke modellen wel nog steeds gevalideerd te worden met experimentele resultaten. Het vergelijken van deze experimentele gegevens met de simulaties zorgt voor een beter begrip van het complexe impactfenomeen, zodat de waarde van de numerieke modellen verbetert.

Dankzij de bird strike testopstelling van de vakgroep ‘Mechanics of Materials and Structures’ van Universiteit Gent konden experimenten uitgevoerd worden op ‘booster vanes’ van een straalmotor. Deze booster vanes vormen de eerste rij schoepen van de lage druk compressor en zijn bijgevolg het meest vatbaar om beschadigd te worden door vogelrestanten. De nodige data inzake de robuustheid tegen vogelimpact van de nieuwe generatie booster vanes konden bijgevolg verschaft worden. Twee grote reeksen van experimenten werden hiervoor uitgevoerd, gegroepeerd in enerzijds de optimalisatie-experimenten en anderzijds de schoepexperimenten.

Allereerst werd tijdens de optimalisatie-experimenten de voormalige testopstelling uitgebreid met een vereenvoudigde schoep en een houten box met aluminium plaat, genaamd ‘catcherbox’, om zo een ideale lay-out te ontwikkelen voor de schoepexperimenten. Ook werden verschillende meetinstrumenten aangebracht en geoptimaliseerd. 

Dankzij de vereenvoudigde schoep kon een techniek ontwikkeld worden om de krachten die overgebracht worden van de vogel naar de schoep tijdens impact te bepalen. Drie hoge snelheidscamera’s werden gebruikt om met behulp van optische meettechnieken de verplaatsing en bijgevolg ook de versnelling van het doelwit te bepalen. Om correcte conclusies te trekken werden dezelfde versnellingen ook uitgemeten met accelerometers (sensoren om versnelling te bepalen). De drie camera’s maakten het ook mogelijk het experiment te visualiseren. Zo kon voor elke test gecontroleerd worden of de juiste impacthoogte werd gehaald en het projectiel niet afweek van zijn traject.

De catcherbox, die gepositioneerd is achter de schoep en dus de restanten na impact opvangt, dient om de residuele energie die nog in de restanten vervat zit te bepalen. Deze energie is belangrijk om te kunnen inschatten hoeveel schade nog zou kunnen aangericht worden aan een volgende schoep in de lage druk compressor. Opnieuw kon de snelheid van de catcherbox bepaald worden met behulp van optische meettechnieken, alsook met een lineaire transducer (sensor die dankzij magnetisme een verplaatsing meet). Een nieuwe visualisatietechniek om meer informatie over de impact en de impacthoek te verkrijgen werd ook ontwikkeld. De catcherbox werd hiervoor ingewreven met blauw krijt om de sporen van de impact duidelijk weer te gegeven.

Met deze herwerkte testopstelling kon vervolgens intensief geëxperimenteerd worden op verschillende configuraties van de booster vanes. Het doel van deze schoepexperimenten was niet alleen om de numerieke modellen te valideren, maar ook om de vogelimpact robuustheid van de schoepen te onderzoeken. Zo werd voor elke configuratie de schade geanalyseerd en kon de zwakste schakel gevonden worden. De aangepaste testopstelling bleek dus ideaal te zijn om bird strike experimenten uit te voeren en kan in de toekomst nog dienst doen voor testen onder andere voorwaarden.

Dankzij de Europese initiatieven, waaronder dit onderzoek valt, kunnen de luchtvaartmaatschappijen hun passagiers goedkoop, maar vooral ook veilig overal ter wereld blijven vervoeren. Zo hoeft u tijdens kerstmis hopelijk nooit zelf een spectaculair verhaal, gelijkaardig met het Hudson-incident, aan de familie te vertellen.

Bibliografie

[1] Dolbeer Richard A., “Birds and aircraft - fighting for airspace in ever more crowded skies”, Human-Wildlife Conflicts, vol. 3, no. 2, pp. 165-166, Fall 2009.

[2] MacCinnon B., “Sharing the skies: an aviation industry guide to the management of wildlife hazards", Report TP 13549, Transport Canada, 2nd ed., 2004.

[3] Dolbeer R. A., Wright S. E., Weller J. R., Begier M. J., “Wildlife strikes to civil aircraft in the United States 1990 – 2013”, Federal Aviation Administration National Wildlife Strike Database, Serial Report Number 20, July 2014.

[4] Maragakis I., “Bird population trends and their impact on aviation safety 1999-2008”, European Aviation Safety Agency (EASA) – Safety Analysis and Research Department, January 2009.

[5] Heimbs S., “Computational methods for bird strike simulations: A review”, Computers & Structures, vol. 89, pp. 2093-2112, Munich, Germany, September 2011.

[6] Allan J. R., Orosz A. P., “The costs of birdstrikes to commercial aviation”, Proceedings of the 3rd Bird Strike Committee USA/Canada meeting, Calgary, Canada, 2001.

[7] Federal Aviation Administration, “Regulatory and guidance library”, http://rgl.faa.gov/, 2015.

[8] Atkins, UK Food & Environment Research Agency (FERA), “Bird strike damage & windshield bird strike”, European Aviation Safety Agency, 2009.

[9] Dolbeer R. A. and P. Eschenfelder, “Amplified bird-strike risks related to population increases of large birds in North America”, Proceedings of the International Bird Strike Committee meeting, pp. 49-67, Warsaw, Poland, 2003.

[10] Allan J. and Feare C.J., “Feral Canada geese as a hazard to aircraft in Europe: options for management and control”, Proceedings of the 23rd Bird Strike Committee Europe meeting, pp. 25-42, London, England, 1996.

[11] Dolbeer R. A. and Seubert J. L., “Canada goose populations and strikes with civil aircraft: challenging trends for aviation industry”, U.S. Department of Agriculture, Wildlife Services, Ohio, USA, 2009.

[12] Burger J. “Jet aircraft noise and bird strikes: why more birds are being hit”, Environmental Pollution (Series A) 30, pp. 143 – 152, 1983.

[13] Australian Transport Safety Bureau, “The hazard posed to aircraft by birds”, Commonwealth Department of transport and regional services, 2003.

[14] Dukiya J. J., Gahlot V., “An evaluation of the effect of bird strikes on flight safety operations at international airport”, International Journal for Traffic and Transport Engineering, vol. 3, no. 1, October 2012.

[15] Federal Aviation Administration, “Advisory Circular - Bird Ingestion Certification Standards”, U.S. Department of Transportation, AC No. 33.76-1A, July 2009.

[16] Budgey R., “The development of a substitute artificial bird by the international birdstrike research group for use in aircraft component testing”, International Bird Strike Committee ISBC25/WP-IE3, Amsterdam, The Netherlands, April 2000.

[17] Wilbeck J.S., “Impact behavior of low strength projectiles”, Technical Report AFML-TR-77-134, Wright-Patterson Air Force Base, 1978.

[18]Nizampatnam L. S., “Models and methods for bird strike load predictions”, Phd thesis, Wichita State University, 2007.

[19 ] Wilbeck J. S., Rand J. L., “The Development of a Substitute Bird Model”, Transactions of ASME Journal of Engineering for Gas Turbine and Power, vol. 103, no. 4, pp. 725-730, October 1981.

[20] European Commission Community Research and Development Information Center, FP7-Transport, http://cordis.europa.eu/fp7/transport/home_en.html, 2015.

[21] E-BREAK, Engine Breakthrough Components and Subsystems European FP7 program, http://www.e-break.eu, 2015.

 [22] Vignjevic R., Orlowski M., De Vuyst T., Campbell J.C., “A parametric study of bird strike on engine blades”, International Journal of Impact Engineering, vol. 60, pp. 44-57, April 2013.

Universiteit of Hogeschool
Master of Science in Electromechanical Engineering - Mechanical Energy
Publicatiejaar
2015
Kernwoorden