Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Experimentelle und numerische Untersuchung zum Strukturverhalten dynamisch hochbelasteter Radialventilatoren

Das Versagen von radialen Laufrädern von Industrieventilatoren wird bisher als Folge eines von dynamischen Strömungslasten angeregten rotationssymmetrischen Körpers angesehen. Diese vereinfachte Annahme zur Strukturdynamik ist in Frage zu stellen, da für integrale Hochdruckverdichterlaufräder bekannt ist, dass Fertigungstoleranzen zu einer Störung der Rotationsperiodizität und damit Verstimmung der Struktur führen. Dies beeinflusst die Strukturdynamik so, dass im Resonanzfall lokal stark überhöhte Schwingungsamplituden auftreten können.

Im Vorhaben sollen die strukturdynamischen Eigenschaften sowie die dynamischen Strömungslasten eines Hochleistungs-Industrieventilators (HV) experimentell und numerisch untersucht werden, um fundierte Kenntnisse über versagensrelevante Schwingungen von Laufrädern zu gewinnen. Hierfür soll ein aus der Produktion eines KMU stammender unskalierter HV bei realitätsnahen Betriebsbedingungen experimentell untersucht werden, um eine genaue Kenntnis sowohl über das dynamische Strukturverhalten als auch über die aerodynamische Anregung zu gewinnen.

Auf der numerischen Seite sollen sowohl Simulationen der Strukturdynamik des Laufrads als auch der instationären Aerodynamik durchgeführt werden. Erstere zielen darauf ab, die Schwingungseigenschaften des Laufrads unter Berücksichtigung von Verstimmung effizient und genau zu modellieren, sodass schädigungsrelevante lokale Schwingungsmaxima im Modell abgebildet werden können. Die Berechnung der instationären Aerodynamik zielt darauf ab, die relevanten Anregungsmechanismen zu simulieren und zu verstehen.

Die geplanten Forschungsergebnisse versetzen die KMU in die Lage, Schwingungsschäden an HV zu verstehen und mittels entsprechender Modelle in der Auslegung zu berücksichtigen. Die dadurch gewonnenen Erkenntnisse werden einen wesentlichen Beitrag zur verbesserten Zuverlässigkeit von Hochleistungs-Industrieventilatoren leisten und dadurch die Wettbewerbsfähigkeit der involvierten KMU erhöhen.

Ergebniszusammenfassung:

Die messtechnische Untersuchung des Schwingungsverhaltens des Radialventilators ergab, dass es im untersuchten Betriebsbereich diverse Resonanzstellen gibt, bei denen das Laufrad drehzahlsynchron angeregt wird. Die gemessenen Wechselspannungen sind jedoch im gesamten Betriebsbereich nicht schädigungsrelevant. Anhand von simultanen örtlich aufgelösten Schwingungsmessungen konnte das Schwingungsverhalten des Laufrads detailliert untersucht werden. Basierend darauf wurde die Erregbarkeitsbedingung spezifisch auf den untersuchten Radialventilator angewendet, was dann auch der strukturdynamischen Validierung zugrunde lag.

Da die Vergleichbarkeit der HB und der zeitaufgelösten Berechnung für hochfrequente Amplituden nicht gegeben ist und sich zudem gezeigt hat, dass die HB auch keine Zeitersparnis ermöglicht, erweist sich diese Methode nicht als vorteilhaft zur Berechnung der Anregungen, wie sie in diesem Fall vorliegt. Die Dämpfungsrechnung ergibt in guter Übereinstimmung mit experimentellen Befunden positive Werte für den aerodynamischen Dämpfungskoeffizient. Daraus lässt sich schließen, dass für die berechneten Resonanzstellen keine große Gefahr durch Materialermüdung besteht.

Durch Untersuchung des MAC-Wertes konnte am Untersuchungsobjekt gezeigt werden, dass Mistuning teilweise einen Einfluss auf die Eigenmoden hat, jedoch für die Resonanzstellen keine Auswirkungen erzielt. Ebenso haben die untersuchten Mistuningfälle die dynamische Belastbarkeit nicht beeinträchtigt. Daneben konnte die Schwingungsantwort auf modaler Basis mit einer Formel für die Industrie umsetzbar gemacht werden, wobei hier die Anregungen aus der CFD der limitierende Faktor ist. Die Schwingungsantwort hat dabei gezeigt, dass die ermittelten Spannungen mit max. 13 MPa zu klein sind, um Schäden durch Materialermüdung zu induzieren. Die simulierten Wechselspannungen stimmen gut mit den Messungen überein.