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Einladung zum Promotionsvortrag von Herrn M.Sc. Linus Pohle

am 10.02.2017, um 09.00 Uhr im Hörsaal A145 der Appelstraße 11

Wir laden alle Interessierten zum Promotionsvortrag von Herrn M.Sc. Linus Pohle am Freitag, den 10. Februar 2017, um 09.00 Uhr im Hörsaal A145, Appelstraße 11 mit dem Thema: „Schwingungsverhalten verstimmter zyklischer Systeme und deren Optimierung durch bewusste Verstimmung“ ein.

 

Zusammenfassung der Arbeit:

Gas- und Dampfturbinen sind Energiewandler in Kraftwerken und in der Luftfahrt. Ein wesentliches Merkmal dieser Turbomaschinen im Vergleich zu Kolbenmaschinen ist das geringe Leistungsgewicht in Kombination mit hohen Wirkungsgraden. Durch die Fliehkraft, die hohe Temperaturbeanspruchung und die Fluidkräfte werden die Laufschaufeln stark mechanisch und thermisch belastet. Ein Materialversagen kann hohe Wartungskosten und Standzeiten verursachen. In extremen Fällen kann davon aber auch eine Lebensgefährdung und unter Umständen sogar Lebensgefahr ausgehen. Diese Möglichkeit muss auf jeden Fall ausgeschlossen werden. Oft reicht es aus, nur eine einzelne feststehende Schaufel auf ihre Lebensdauer zu untersuchen. Dabei wird von einem ideal symmetrischen System ausgegangen, bei dem die Schaufeln alle exakt identisch sind. Aufgrund von Fertigungstoleranzen, Materialinhomogenitäten, Regeneration oder Veränderungen während des Betriebs unterscheiden sich die dynamischen Eigenschaften der Turbinenschaufeln. Diese Abweichungen von den gewünschten Eigenschaften - Verstimmung oder Mistuning genannt - reichen aus, um die Schwingungsamplitude einzelner Schaufeln wesentlich zu erhöhen. Die dadurch entstehenden höheren Spannungen in diesen Schaufeln können zu schwingungsbedingtem Materialversagen führen. Eine möglichst genaue Schwingungsprognose ist somit unumgänglich. In der Vergangenheit wurde die maximale Schwingungsamplitude entweder durch einen konservativen Maximalwert bestimmt, oder durch aufwendige Monte-Carlo-Simulationen abgeschätzt. Diese Arbeit stellt einen analytischen Zusammenhang auf, mit dem die maximale Amplitude exakt bestimmt werden kann. Dies führt zum einen zu einem besseren Systemverständis und zum anderen können so effektiv Parametervariationen innerhalb kurzer Zeit berechnet werden. Anhand eines Mehrmassensystems werden die wesentlichen Punkte erläutert, die zu einer Amplitudenerhöhung führen können. Durch die Verstimmung werden ursprünglich doppelte Eigenwerte voneinander getrennt. Es kann gezeigt werden, dass die Überlagerung der entsprechenden Schwingungsmoden eine Amplitudenerhöhung um etwas mehr als 20 % gegenüber dem unverstimmten, d. h. perfekt symmetrischen System, bewirken kann. Regt im unverstimmten Fall die rotierende Kraft nur zwei Moden an, so verlieren im verstimmten System die übrigen Moden ihre Orthogonalität gegenüber der Kraft und werden ebenfalls angeregt. Die Überlagerung dieser Schwingungen kann zu einer weiteren Amplitudenerhöhung führen, die abhängig von der angeregten Modenanzahl und der modalen Dichte ist. Eine Superposition der Amplitudenerhöhung, durch eine Frequenztrennung ursprünglich identischer Moden und der Amplitudenerhöhung durch die Anregung anderer Moden, ermöglicht eine exakte Berechnung der maximal möglichen Amplitude bei einer stochastischen Verstimmung. Diese analytische Berechnung ermöglicht Parametervariationen wie die Abhängigkeit von der Dämpfung, der Schaufelanzahl oder der Modendichte.

Während beim Mehrmassensystem die einzelnen Schaufeln nur eine geringe Anzahl an Freiheitsgraden bzw. nur einen Freiheitsgrad aufweisen, besitzt eine reale Schaufel sehr viele Eigenschwingungsformen mit Verschiebungen in allen drei verschiedenen räumlichen Schwingungsrichtungen. Dabei spielt die Scheibe einen wesentlichen Einfluss, der in dieser Arbeit quantifiziert wird.

Ein bewusstes Trennen zweier orthogonaler Schwingungsmoden führt zu einem robusteren Verhalten gegenüber stochastischen Verstimmungen. Gerade gegenüber kleinen Abweichungen vom Nominalzustand ist die maximale Amplitude sehr sensitiv. Diese Sensitivität kann durch eine bewusste Verstimmung reduziert werden. Es wird neben einer bewussten Schaufelverstimmung auch eine bewusste Scheibenverstimmung vorgestellt. So kann die analytische Berechnung der maximalen Amplitude genutzt werden, um effektiv Gegenmaßnahmen durchzuführen.