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Fortschrittliche dynamische Analysen mit Kontakt/ Modellierung Verschleiß bei dynmamischer Belastung

Fortschrittliche dynamische Analysen mit Kontakt/ Modellierung Verschleiß bei dynmamischer Belastung

Led by:  Dr.-Ing. Lars Panning-von-Scheidt
E-Mail:  heinze@ids.uni-hannover.de
Team:  M. Sc. Torsten Heinze (Dynamik rotierender Maschinen)
Year:  2019
Funding:  LuFo V/ AG Turbo

Zur Beurteilung der Dauerfestigkeit und Sicherheit von Turbinenschaufeln im Betrieb bedarf es der genauen Kenntnis der auftretenden Schwingungsformen der Schaufeln bzw. der Scheibe, um aus diesen die strukturellen Belastungen des Bauteils ableiten zu können. Ein sehr wichtiger Parameter für die dynamische Untersuchung ist die Drehzahl der Turbine. Die auftretenden Fliehkräfte verformen das Bauteil und verändern somit durch sogenannte spin-softening und stress-stiffening Effekte die beschreibenden Systemmatrizen am betrachteten Betriebspunkt. Weiterhin ändert sich der Strömungsverlauf entlang der Schaufeln, was Einfluss auf die Anregung der Schwingungen hat. Zudem variieren die Kontaktdrücke und -flächen in den zur Dämpfung vorgesehenen Deckbandkopplungen.

Detailreiche Finite-Elemente-Modelle können mit angemessener Genauigkeit das Schwingungsverhalten der Schaufeln abbilden. Oft ist die Berechnung der Schaufeldynamik eingebettet in eine übergeordnete Optimierungsschleife. In diesen Fällen verbietet sich aufgrund der zahlreichen Freiheitsgrade eine Zeitschrittintegration. Mit der Methode der harmonischen Balance können periodische Bewegungen des Systems, wie sie im eingeschwungenen Zustand auftreten, direkt berechnet werden. Fremderregte wie auch strömungsselbsterregte Schwingungen, welche zu Grenzzykeln führen, können analysiert werden. Weitere Reduktionen der Rechenzeit können erreicht werden durch die Annahme zyklischer Symmetrie, den Ausschluss von Mistuning sowie die Anwendung weiterführender Reduktionsmethoden.

In dieser Formulierung der Schwingungsberechnung lässt sich Verschleiß durch eine inhomogene Rücknahme des Kontaktdrucks in den Kontaktflächen approximativ berücksichtigen. Die Rücknahme selbst berechnet sich anhand eines zuvor definierten Verschleißgesetzes. Der Kausalität des Verschleißfortschritts entsprechend ergibt sich eine iterative Rechenprozedur welche abwechselnd die Anpassung der Kontaktkräfte sowie das darauf basierende Schwingverhalten ermittelt.

Das Ziel der Projekte ist letztlich, die konsistente Berücksichtigung des Drehzahleinflusses und des Verschleißes auf die Schwingungsanalysen in einem Rechentool gebündelt zu implementieren.