Verstimmte Beschaufelungen mit aerodynamischer Kopplung

Leitung:  Dr.-Ing. Lars Panning-von-Scheidt
E-Mail:  panning@ids.uni-hannover.de
Jahr:  2019
Förderung:  DFG/ FVV

Infolge von Fertigungstoleranzen und betriebsbedingtem Verschleiß weisen die Schaufeln in Turbomaschinen individuelle dynamische Eigenschaften auf. Diese Verstimmung der Strukturdynamik unterbricht die zyklische Symmetrie des Schaufelkranzes und führt zu einer lokalen Konzentration der Schwingbeanspruchung. Die Lokalisierung hängt neben der Verstimmungsintensität auch wesentlich von der Kopplung zwischen den Schaufeln ab. Der Fokus dieses Vorhabens liegt daher auf einer umfassenden Berücksichtigung verschiedener Kopplungsmechanismen.

Strukturseitig wird die linear-elastische Kopplung über die Rotorscheibe um reibungsbehaftete Fügestellen ergänzt. Dies ermöglicht die Simulation nichtlinearer Schwingungen mit geteilten Deckbändern, Stützflügeln und Schaufel-Scheibe-Kontakten im Bereich des Schaufelfußes. Die Dynamik des Schaufelkranzes wird hierbei durch eine reduzierte Anzahl an Strukturmoden approximiert (engl. Reduced Order Model, ROM). Diese modale Beschreibung ermöglicht effiziente Schwingungssimulationen und eine direkte Integration aeroelastischer Kopplungseinflüsse. Die aerodynamischen Einflusskoeffizienten werden aus linearisierten CFD-Simulationen ermittelt und als generalisierte Druckkräfte in die reduzierte Kranzmodellierung implementiert.

Hierbei wird neben der Kopplung individueller Schaufeln auch die aeroelastische Interaktion zwischen verschiedenen Schwingungsfamilien des Kranzes berücksichtigt. Die Validierung des entwickelten Modellansatzes erfolgt anhand experimenteller Messdaten für zwei verschiedene Versuchsträger. Zur getrennten Validierung der aerodynamischen Kopplung und der nichtlinearen Fügestellendämpfung wird eine durchströmte Axialverichterblisk sowie ein im Vakuum rotierender Schaufelkranz mit Schwalbenschwanzfüßen untersucht. Die Arbeiten werden in Kooperation mit dem Institut für Turbomaschinen und Fluid-Dynamik (TFD) der Leibniz Universität Hannover durchgeführt.