Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Untersuchung der resonanten Anregung von Turbomaschinenlaufrädern

und des Einflusses der Gesamtsystemdämpfung auf die

resultierende Schaufelschwingungsamplitude

Im vorliegenden Projekt erfolgt eine gesamtheitliche Betrachtung der maßgeblichen Anregungs-, Dämpfungs- und Gesamtsystemdynamikeffekte in einer Radialturbine, um eine zuverlässige numerische Vorhersage der Schaufelschwingungsamplituden sowie eine Validierung der aerodynamischen Dämpfungsberechnung zu ermöglichen.

Das im Vorgängerprojekt entwickelte Strukturmodell des Radialturbinenrotors wird um zusätzliche Komponenten wie das Verdichterlaufrad, die Welle und die Rotorlagerung ergänzt, um Dämpfungseffekte in der Wellenlagerung berücksichtigen zu können. Diese Modellerweiterung ermöglicht die Berücksichtigung der Dissipation von Schwingungsenergie in den Lagerstellen des Rotors, die insbesondere bei der Grundschwingungsform mit null Knotendurchmessern anfällt. Die auf Basis dieses Modells generierten Ergebnisse werden mit Simulationsergebnissen aus dem Vorgängerprojekt verglichen und mit Messdaten validiert.

Weiterhin wird die Berechnungskette zur Vorhersage der aerodynamischen Dämpfung bei Schwingungen mit höheren Knotendurchmesserzahlen validiert. Hierfür werden neue Leitgitter für die Turbine ausgelegt, um gezielt Resonanzstellen einerseits durch Low-Engine-Order-Erregung (LEO) und andererseits durch die Düsenringharmonische anzuregen. Die Validierung der Berechnungsergebnisse erfolgt anhand von Schwingungsmessdaten aus einem Turbolader-Versuchsstand.

Im Projekt werden Fragestellungen zum erforderlichen Detaillierungsgrad bei der aeromechanischen Modellierung geklärt. So lassen sich bei kleinstmöglichen Modellen Berechnungsergebnisse mit der erforderlichen Genauigkeit erzielen. Die damit verfolgte Einsparung kosten- und zeitintensiver Prüfstandsversuche beschleunigt den Entwicklungsprozess bei gleichzeitiger Kostenreduktion. Dies wird zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit vor allem der KMU beitragen, die diesbezüglich in aller Regel über nur eingeschränkte Kapazitäten, Möglichkeiten und Mittel verfügen.

Ergebniszusammenfassung:

Im durchgeführten Vorhaben wurde der Einfluss von Systemeffekten eines Turboladers auf die aeromechanische Anregung untersucht. Das System besteht hierbei aus Verdichter-/ und Turbinenlaufrad und der Welle. Ein im Vorgängervorhaben entwickeltes Werkzeug zur Vorhersage von Schwingungsamplituden auf Basis von CFD- und FE-Simulationen hat gezeigt, dass die Vorhersagegüte nicht für alle Moden und Knotendurchmesser gleich gut ist. Im aktuellen Vorhaben wurde nun sowohl numerisch als auch experimentell nachgewiesen, dass Schwingungen des Verdichters über die Welle auf die Turbine übertragen werden können und auch von der Turbine auf den Verdichter. Dies hat die Qualität der Vorhersage von Turbinenschwingungen verbessert. Es wurden der gesamte Läufer bestehend aus Turbine, Verdichter und Welle strukturmechanisch untersucht. Dabei hat sich gezeigt, dass die Systemeffekte abhängig von den Lagereigenschaften sind und ausschließlich niedrige Knotendurchmesser über die Welle übertragen werden können. Diese neuartigen Erkenntnisse können in eine gezielte Auslegung eines Turboladers einfließen. Momentan werden in der industriellen Praxis Turbine und Verdichter getrennt ausgelegt und dann über eine Welle mechanisch verbunden. Durch die Nutzung von Systemeffekten kann eine Auslegung des Gesamtsystems erfolgen. Dabei können Schaufelamplituden von unvermeidbaren Resonanzstellen der Turbine durch eine gezielte Einbringungen einer Verdichterresonanz mit erhöhter Dämpfung reduziert werden. Diese Vorgehensweise bietet sich an, da generell die aerodynamische Dämpfung des Verdichters höher ist als die der Turbine.