Mistuning mit Aero-Kopplung

Die Schaufeln, die in Turbomaschinen eingesetzt werden, unterliegen hohen mechanischen und thermischen Belastungen. Die Fertigung der Schaufeln ist daher Präzisionsarbeit. Dennoch kommt es dabei zu geringen Fehlern, die sich im Betrieb durch störende Schwingungsphänomene bemerkbar machen. Dieses „Mistuning“ – auf Deutsch mit „Verstimmung“ zu übersetzen – kann sowohl das akustische Verhalten als auch die Lebensdauer negativ beeinflussen. Die Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen hat daher bereits im Jahr 1993 das erste Mistuning-Projekt initiiert und seither durch zahlreiche Vorhaben dazu beigetragen, das Phänomen technisch beherrschbar zu machen. Eine offene Frage war bislang, wie sich die Schaufeln innerhalb eines Schaufelkranzes über das durchströmende Fluid gegenseitig beeinflussen – und zwar in Kombination mit nicht-linearer Kopplung durch den Reibungskontakt. In dem Vorhaben „Mistuning mit Aerokopplung I/II“ untersuchten Schwingungs- und Turbomaschinen-Experten der Leibniz Universität Hannover gemeinsam die durch die Kopplung von Aerodynamik und Strukturmechanik verursachten Schwingungen.

Motivation

Effiziente Turbomaschinen spielen eine Schlüsselrolle in der Energiewende. Um trotz Mistuning einen sicheren Betrieb zu garantieren, wurden die Schaufeln beziehungsweise Blisks („Blade integrated Disks“) bislang in höherer Materialstärke konstruiert, als dies aufgrund der übrigen Betriebslasten eigentlich notwendig wäre. Dies wirkt jedoch dem Bemühen entgegen, den Wirkungsgrad der gesamten Turbomaschine weiter zu steigern. Eine aerodynamisch optimale Auslegung ist jedoch nur möglich, wenn die im Betrieb auftretenden Mistuning-Effekte schon in einem frühen Entwicklungsstadium berechnet werden können.

Methodik

Empirische Basis für die Weiterentwicklung der Simulationssoftware waren Versuche an den beteiligten Instituten der Leibniz Universität Hannover. Am Institut für Dynamik und Schwingungen (IDS) wurde eine idealisierte Turbinenstufe im Vakuum magnetisch angeregt, um strukturmechanische Kopplungen zu bestimmen. Auf einem Prüfstand des Instituts für Turbomaschinen und Fluid-Dynamik (TFD) konnten Versuche mit einem durchströmenden Fluid durchgeführt werden, die auch die Dämpfungswirkung der Strömung berücksichtigten. Die auf diese Weise experimentell gewonnenen Erkenntnisse dienten einer überarbeiteten Modellierung des Mistuning-Effekts.

Ergebnis

Das bereits existierende Simulationsprogramm „ROMI“ (Reduced Order Model for Mistuned Turbine Blades) konnte durch das Ende 2019 abgeschlossene FVV-Projekt wesentlich verbessert werden. Durch die Kopplung der Aerodynamik mit der Strukturdynamik von Deckband oder Schaufelfuß kann der Anstieg von Schwingungsamplituden besser vorhergesagt werden. Die Ergebnisse zeigen zudem, dass das Schwingungsverhalten wesentlich von den Relativbewegungen der Schaufelfüße in den Befestigungsnuten beeinflusst wird. Damit steht mit ROMI ein nicht-kommerzielles Werkzeug zur Verfügung, das sowohl in der weiteren Forschung als auch in der Entwicklung hocheffizienter Turbomaschinen zu nutzen ist.

Dokumentation

Mistuning mit Aero-Kopplung | Mistuning aerodynamisch und strukturmechanisch gekoppelter Beschaufelungen | Vorhaben-Nr. 1164

Mistuning mit Aero-Kopplung II | Mistuning aerodynamisch und strukturmechanisch gekoppelter Beschaufelungen | Vorhaben-Nr. 1269

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