Forschung

Berechnung der Schwingungen von Turbinenschaufeln

Mithilfe der neu entwickelten Berechnungsmethodik ist es möglich, die Schwingungsantwort von Turbinenschaufeln mit Verbindungselementen wie z.B. Deckbändern zu ermitteln. Sie basiert auf dem Ansatz der Höher Harmonischen Balance, der die stationären Schwingungen eines nichtlinear gekoppelten dynamischen Systems durch eine periodische Schwingung annähert. Mithilfe eines im Projekt entwickelten Prüfstands wurden für die Berechnung benötigte Modellparameter ermittelt. Um die breite praktische Anwendung sicherzustellen, ist diese Methodik in einem Programmcode hinterlegt, der mit einer Vielzahl industriell genutzter Simulationsprogramme kombinierbar ist. Auf diese Weise leistet das Projekt einen wichtigen Beitrag zur optimalen Auslegung von hochbelasteten Turbinenschaufeln.

» In der FVV haben wir die einmalige Möglichkeit, komplexe Themen wie das Schwingungsverhalten reibungsgedämpfter Systeme wissenschaftlich fundiert und zugleich praxisorientiert zu bearbeiten. «
Dr.-Ing. Andreas Kayser (Siemens AG)

Motivation

Turbinenschaufeln sind hohen statischen und dynamischen Belastungen ausgesetzt. Diese verursachen Schaufelschwingungen, die zu schweren Schäden führen können. Der Einsatz von Verbindungselementen wie z.B. Deckbändern führt durch Versteifung und Reibungsdämpfung zu einer Reduzierung der Schwingungsamplituden. Um diese Verbindungselemente optimal auszulegen, ist die genaue Kenntnis des Schwingungsverhaltens reibungsgedämpfter Systeme unerlässlich.

Methodik

Um die Reibungsdämpfung so realitätsnah wie möglich zu modellieren, wurde bei der Schwingungsberechnung der Ansatz der Höher Harmonischen Balance angewendet. Dabei werden die periodischen, stationären Schwingungen eines nichtlinear gekoppelten dynamischen Systems durch eine Überlagerung harmonischer Schwingungen angenähert. Die Modellierung des Reibkontakts erfolgt über einen oder mehrere Punkt-zu-Punkt-Kontakte oder über die Annahme zweier starrer Flächen im Kontakt. Ein im Projekt entwickelter Versuchsstand ermöglichte zudem die experimentelle Bestimmung von Reibhysteresen. Diese Arbeiten bildeten die Grundlage dafür, die Modellparameter Reibkoeffizient und Tangentialsteifigkeit zu ermitteln.

Ergebnis

Mit dem neuen Verfahren lässt sich das dynamische Verhalten reibungsgedämpfter Strukturen mit realen, ausgedehnten Fügestellen und damit die Schwingungsantwort von Turbinenbeschaufelungen mit Reibkontakten berechnen. Dabei berücksichtigt es auch höherfrequente Anteile der Schwingungserregung und -antwort. Auf diese Weise ist das Verfahren in der Lage, reale Einsatzfälle und Anwendungsbereiche abzubilden. Mithilfe des Programmcodes, der mit industriell genutzten Simulationsprogrammen kombinierbar ist, kann das Verfahren direkt in der Praxis eingesetzt werden.

Dokumentation

Höher Harmonische Balance I | Optimierung der Fügestellen von Bauteilen unter Berücksichtigung multifrequenter Schwingungsanregung und nichtlinearer Kontaktkräfte im Frequenzbereich | Vorhaben-Nr. 961

Höher Harmonische Balance II | Optimierung der Fügestellen von Bauteilen unter Berücksichtigung multifrequenter Schwingungsanregung und nichtlinearer Kontaktkräfte im Frequenzbereich | Vorhaben-Nr. 1045 | DFG-Fördernummer 578360

Nichtlineare Schaufelschwingungen | Erweiterungen des FoReBlade-Simulationsprogramms zur Berechnung des Schwingungsverhaltens nichtlinear gekoppelter Strukturen mit höher harmonischen Ansätzen | Vorhaben-Nr. 1158

Themis

Status
Abgeschlossenes Projekt

Programm
Öffentliche Förderung und Eigenmittel

Fördersumme
440.050,00 EUR

Laufzeit
01.04.2008 bis 31.03.2010 Teil I
01.07.2010 bis 30.06.2012 Teil II
01.01.2014 bis 30.06.2016 Teil III

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) e. V.

Kennedyallee 40
53175 Bonn
Deutschland

Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen (FVV) e. V.

Lyoner Str. 18
60528 Frankfurt am Main
Deutschland

Industrie

Dr.-Ing. Andreas Kayser | I+II
Siemens AG

Dipl.-Ing. Markus Denk | III
Dr.-Ing. Pierre-Alain Masseray | III
General Electric (Switzerland) GmbH

Forschungsstelle

Institut für Dynamik und Schwingungen (IDS) | Leibniz Universität Hannover

Wissenschaftlicher Leiter:
Prof. Dr.-Ing. Jörg Wallaschek

Wissenschaftliche Mitarbeiter:
Dipl.-Ing. Marius Bonhage | III
Dipl.-Ing. Anna Herzog | I-III
Dipl.-Ing. Ferhat Kaptan | III
Dipl.-Ing. Christian Siewert | I+II

Leibniz Universität Hannover

Institut für Dynamik und Schwingungen (IDS)

Appelstr. 11
30167 Hannover
Deutschland

Projektmanagement

Stefanie Jost-Köstering

FVV
+49 (0) 69 6603 1531
+49 (0) 69 6603 2531


Forschungsvereinigung Verbrennungskraft­maschinen e.V.

Lyoner Straße 18
60528 Frankfurt am Main
Deutschland
T +49 69 6603 1345