Dynamik rotierender Maschinen

Die Untersuchung von Turbinenschaufelschwingungen unter Berücksichtigung von Nichtlinearitäten ist am Institut für Dynamik und Schwingungen (IDS) seit vielen Jahren Gegenstand intensiver Forschungsarbeit. Grundlegende Untersuchungen zur Reibungsdämpfung von verstimmten Turbinenlaufschaufeln gehen auf die FVV-Forschungsvorhaben Reibungseffekte I/II zurück. Innerhalb des FVV-Vorhabens Mistuning I wurde die entwickelte Theorie auf dreidimensionale Schaufelschwingungen erweitert. Die Arbeiten wurden in den FVV-Vorhaben Mistuning Interim, Mistuning II und Mistuning III fortgesetzt, in denen die entwickelten Verfahren experimentell validiert wurden und in einem rotierenden Schaufelkranz die Wirkungsweise verschiedener Reibelementgeometrien untersucht wurde. Die Betrachtung verstimmter Systeme wurde nach den ersten Untersuchungen in dem FVV-Vorhaben Mehrfachkopplungen wieder aufgenommen, in dem die Grundlagen für mehrfach gekoppelte Beschaufelungen gelegt wurde. Parallel dazu wurden Reduktionsmethoden und das Simulationsprogramm ROMI (Reduced Order Models for MIstuned Turbine Blades) entwickelt, sodass verstimmte Systeme rechenzeiteffizient untersucht werden können. Dieses dient auch als Basis für die mechanische Beschreibung der durch eine Schaufelreparatur auftretenden Varianzen einer Einzelschaufel bis hin zum Einfluss auf die Dynamik des gekoppelten Schaufelkranzes innerhalb des Teilprojektes Einfluss des regenerationsbedingten Mistunings auf die Dynamik gekoppelter Bauteile im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 871 Regeneration komplexer Investitionsgüter. Hier bestand eine sehr enge Zusammenarbeit mit den Teilprojekten Regenerationsbedingte Varianz aeroelastischer Eigenschaften von Turbinenschaufeln und Regenerationsbedingte Varianz aeroelastischer Eigenschaften von Verdichterblisks des Instituts für Turbomaschinen und Fluid-Dynamik (TFD). Im Rahmen der zweiten Förderperiode des Sonderforschungsbereichs waren Mistuning-Effekte aufgrund einer Schaufelreparatur Gegenstand des wiederum gemeinsam von IDS und TFD bearbeiteten Teilprojektes Einfluss des regenerationsbedingten Mistunings auf die Aeroelastik mehrstufiger Axialverdichter. Ein besonderer Schwerpunkt lag auf der Entwicklung von neuartigen Reduktionsmethoden, ohne die die Betrachtung verstimmter Schaufelkränze kaum möglich ist. Eng verknüpft war die Methodenentwicklung in dem ebenfalls gemeinsam vom IDS und TFD bearbeiteten FVV/DFG-Vorhaben Mistuning mit Aerokopplung I/II, in dem neben den strukturmechanischen Kopplungen auch aerodynamische Effekte berücksichtigt wurden. 

Wesentliche Erweiterungen hinsichtlich der Berücksichtigung der nichtlinearen Dynamik wurden in den DFG/FVV-Vorhaben Höher Harmonische Balance I/II sowie dem FVV-Vorhaben Nichtlineare Schaufelschwingungen erarbeitet. Hier wurden erstmals höher harmonische Ansätze implementiert, mit denen sich die bei Kontaktseparation im Deckband auftretenden starken Nichtlinearitäten deutlich besser abbilden lassen. Im Gegensatz zu allen oben genannten Untersuchungen werden hier kombinierte Zeit-/Frequenzbereichsansätze verfolgt, die eine große Flexibilität hinsichtlich des implementierten Kontaktmodells erlauben, aber entsprechende numerische Lösungsverfahren erfordern. Dieser Ansatz wurde in den Vorhaben Optimierung und robuste Auslegung von gekoppelten Laufbeschaufelungen (AG Turbo 2020) und Auslegung von Deckbandkopplungen bei Selbst- und Fremderregung (AG Turbo COOREFlex-turbo) aufgegriffen, in denen Methoden zur Ermittlung robuster Auslegungsparameter wie Reibkoeffizient und Kontaktpressung bei gekoppelten Beschaufelungen, Grenzzykelanalyse bei aerodynamisch angefachten Schwingungen und Reduktionstechniken auf der Basis nichtlinearer Modalanalysen entwickelt wurden. Das hierin entwickelte Programmsystem wurde im Vorhaben Fortschrittliche dynamische Analysen mit Kontakt im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogramms (IL-Turb AP 2.1) u.a. um die Drehzahlabhängigkeit der Struktureigenschaften und des Kontaktes erweitert. 

Neben grundlegenden Untersuchungen zur Material- und Reibungsdämpfung, etwa in dem Vorhaben Dämpfungsbestimmung für gekoppelte Laufschaufeln, (AG Turbo 2020), wurden auch Zeitbereichsverfahren zur Berechnung nichtlinearer Schaufelschwingungen angewandt, etwa bei der Betrachtung stoßbehafteter Kontakte (AiF-Vorhaben Kontakte mit Spiel) oder der Untersuchung transienter Resonanzdurchgänge mit Nichtlinearitäten (AiF-Vorhaben Transiente Schaufeldynamik, FVV-Vorhaben Transiente Schaufeldynamik II). Im Rahmen des Verbundvorhabens AG Turbo COOREFlex-turbo wurden die Vorhaben Analyse des Schwingungsverhaltens unterschiedlich gekoppelter drehzahlvariabler Turbinenschaufeln, Innovative Dämpfungsmethoden für Gasturbinen-Endstufenschaufeln und Frequenz- und Dämpfungsvorhersage für freistehende Turbinenschaufeln mit Unterplattform-Dämpfer bearbeitet. Hierin stand die Modellierung drehzahlvariabler Deckbandbeschaufelungen, die Untersuchung alternativer Dämpfungsmethoden wie sogenannter particle oder impact damper sowie die Auslegung von Unterplattformdämpfern im Vordergrund. Im AG Turbo EcoFlex-turbo-Projekt Modellierung Verschleiß bei dynamischer Belastung wurde zudem erstmalig das Langzeitverhalten nichtlinearer Kontaktstellen unter Verschleißaspekten und der Einfluss auf die Schaufeldynamik auf verschiedenen Zeitskalen betrachtet. 

Kürzlich abgeschlossen wurde das AG Turbo-Verbundvorhaben Schaufelaeroelastik im transienten Betrieb von Expansionsturbinen (SchauTex). Hierin sind am IDS die Teilprojekte Schwingungsanalyse von Dampfturbinenschaufeln: Flexibilitätsoptimierung von DT-Schaufeln, Vorhersage und Validierung der nichtlinearen Reibdämpfung bei Schaufelschwingungen, Experimentelle und numerische Analyse gekoppelter Rotor-Schaufel-Schwingungen sowie Schwingungsverhalten von Schaufeln infolge einer Anregung mit einem kontinuierlichen und bandbegrenzten Spektrum bearbeitet worden. Schwerpunkte waren hier u.a. reibungs- sowie mehrfach gekoppelte Systeme (Deckband und Unterplattformdämpfer), sowie die erstmalige Betrachtung stochastischer Anregungen und gekoppelter Rotor-Schaufelschwingungen.

Das IDS war ebenfalls im Rahmen des kürzlich abgeschlossenen AG Turbo Verbundvorhabens InnoTurbinE an dem Teilprojekt Bestimmung von Schwingungs- und Dämpfungsvorgängen bei Turbinenschaufeln beteiligt, in dem es um die Entwicklung von Berechnungsmethoden zu so genannten Multiresonanzen (Fremderregung) und Multigrenzzyklen (Selbsterregung) ging. Im Rahmen der Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen (FVV) wurde in jüngster Vergangenheit das Vorhaben Kombinierte dynamische Analysen abgeschlossen, in dem verschiedene Aspekte der Schaufelverstimmung systematisch untersucht worden sind. In dem FVV-Vorhaben Rotordynamik-Gehäusemodelle und Model-Update wurden nichtlineare Gehäusemodelle zur Ergänzung von derzeit verwendeten rotordynamischen Modellen entwickelt. Dabei wurde neben der klassischen Modellreduktion von inneren Freiheitsgraden ein Fokus auf die Reduktion von Fügestellenfreiheitsgraden durch u.a. LEGENDRE-Polynome und GRAM-SCHMIDT-Interface-Moden gelegt.

Im Rahmen des AG Turbo Verbundvorhabens DigITecT (seit 2023) wird seitens des IDS das Teilprojekt Experimentelle und numerische Untersuchung des Schwingungsverhaltens gekoppelter Schaufelverbände bearbeitet, in dem die betriebspunktvariablen Dämpfungseigenschaften von Turbinenschaufeln mit Deckbandkopplung experimentell und numerisch untersucht werden. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf einer Betrachtung des Einflusses des Mistunings aufgrund unterschiedlicher Kontaktvorspannungen des nichtlinearen Reibkontaktes am Deckband sowie der Einbeziehung von Drehzahl- und Temperatureinflüssen in die numerische Berechnung durch eine variable Modell-Reduktionsbasis. Im Rahmen des 2023 gestarteten Transferprojekts Nichtlineare Aeroelastik und transiente Multiresonanzen aus dem Sonderforschungsbereich 871 Regeneration komplexer Investitionsgüter wird am IDS in Zusammenarbeit mit dem TFD ein anwendungsnahes Schaufelmodell untersucht. Ausgehend von einem linearen, unverstimmten Schaufelkranz wird dabei die Komplexität des Modells sukzessive erhöht, sodass neben Mistuning auch transiente Resonanzdurchgänge und multi-frequente Anregungen berücksichtigt werden. Seit 2024 befindet sich das Vorhaben Robustes Dämpferdesign für multiharmonische Anregungen bei flexiblem Betrieb (AG Turbo TurboHyTec) in Bearbeitung. Hierin wird die Robustheit von Unterplattformdämpfern hinsichtlich eines drehzahl-asynchronen, multi-frequenten Frequenzspektrums der Schaufelanregung durch z.B. Teillastbeaufschlagung untersucht. Schwerpunkt hierbei ist neben einer Optimierung der Unterplattformdämpfer mit dem Ziel der Robustheit die numerische und experimentelle Untersuchung der auftretenden Effekte durch quasi-periodische Schwingungen von nichtlinear gekoppelten Laufbeschaufelungen.