Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Intentional Mistuning zur Begrenzung erzwungener Schwingungsantworten von Radialturbinen

Mittels Intentional Mistunings (IM) soll für Radiallaufräder eine drastische Reduktion des Schwingungsniveaus verglichen mit dem perfekten Referenzdesign erreicht werden. Die Optimierung von IM Mustern erfolgt für Fundamentalmoden derart, dass über die gezielte Veränderung der aeroelastischen Wechselwirkung die resultierende aerodynamische Dämpfung vergrößert wird. Für höhere Schaufelmoden oder bestimmte Erregerordnungen muss die Anpassung von IM so erfolgen, dass im Rahmen der Optimierung mittels genetischer Algorithmen der maßgebliche Travelling Wave Mode der Antwort, welcher zum betrachteten Anregungsmuster passt, weitgehend unterdrückt und damit dessen Anregbarkeit erschwert wird. Die technische Umsetzung von IM erfolgt mittels geometrischer Modififikationen von Laufschaufeln an Hand eines Prototypen mit anschließendem Nachweis der gelungenen Umsetzung mittels experimenteller Mistuning ID Verfahren am ruhenden Laufrad. Im Rahmen von Testläufen im Turboladerprüfstand des IKDG in Aachen ist schließlich mittels DMS- und BTT-Antwortmessungen die positive Wirkung von IM auf erzwungene Schwingungsantworten nachzuweisen. Als Vergleichsbasis dienen analog an einem Serienrad durchgeführte Versuchsreihen. Ergänzend wird eine robuste Rohdatenaufbereitung von BTT-Signalen entwickelt, welche den Einsatz neuartiger BTT- Algorithmen gestattet und damit die Berücksichtigung von Sondenpositionierungsfehlern sowie die Verarbeitung verrauschter Datensätze ermöglicht. KMU profitieren vom abschließend bereitgestellten, industriegerechten Leitfaden zur praktischen Umsetzung von IM.

Zudem erfolgt die Entwicklung einer ebenfalls für KMU besonders relevanten, einfach anwendbaren Abschätzungsmethodik der verfügbaren Lauraddämpfung. Die Ableitung des auf Schallabstrahlung beruhenden Integralmaßes baut auf den im Vorgängervorhaben Mistuning u. Dämpfung III gewonnenen Erkenntnissen auf und berücksichtigt zusätzliche Einflussgrößen wie beispielsweise den Abstand benachbarter Schaufeln.

Ergebniszusammenfassung:

Im durchgeführten Vorhaben wurde die grundlegende Wirksamkeit von Intentional Mistuning (IM) zur gezielten Reduktion der erzwungenen Schaufelschwingungsantwort untersucht. Dies geschah erstmalig im Hinblick auf integral gefertigte Radialturbinenräder und konnte erfolgreich umgesetzt werden. Dafür wurden umfangreiche theoretische Analysen durchgeführt, um IM im Sinne einer Geometriemodifikation der Schaufel umzusetzen. Da der Fokus auf der Untersuchung der grundlegenden Wirksamkeit von IM lag, wurde die erste Schaufelbiegemode vordergründig untersucht und eine entsprechende Anpassung der Schaufelgeometrie erarbeitet. Auf Basis dessen wurde ein Turbinenrad mechanisch bearbeitet und anschließend verschiedenen experimentellen Untersuchungen unterzogen. Bei Messungen sowohl im Stillstand, als auch auf einem Turboladerprüfstand konnte die errechnete Verringerung der erzwungenen Schaufelschwingungsantwort um mehr als 40% eindeutig nachgewiesen werden.

Somit konnten die generelle Eignung von IM nachgewiesen und gleichzeitig Vorgaben zur konkreten Umsetzung präsentiert werden. Den Turboladerherstellern wird damit ein Leitfaden und Hilfsmittel an die Hand gegeben, welcher ihnen hilft, IM für individuelle Betriebspunkte und Geometrieadaptionen selbstständig zu entwickeln. Momentan finden vor allem alternierende IM-Muster Anwendung. Die durchgeführten Arbeiten ermöglichen es den Herstellern jedoch auch, weitere und komplexere IM-Muster im Rahmen ihrer Modifikationen zu berücksichtigen.