TY - BOOK

T1 - Aeroelastische Auswirkungen der Schaufel-Rotor-Interaktion in einem 1 1/2-stufigen Axialverdichter

AU - Maroldt, Niklas

PY - 2023

Y1 - 2023

N2 - Im Rahmen des Auslegungsprozesses von Turbomaschinen können aerodynamisch optimale Designs oftmals nicht realisiert werden, da in der aeroelastischen Auslegung die strukturelle Integrität nicht gewährleistet ist. Problematisch sind dabei hohe Schwingungsamplituden, die beispielsweise durch selbsterregte Schwingungen (Flattern) oder zwangserregte Schwingungen (Forced Response) auftreten. Eine wichtige Einflussgröße bei der Vorhersage dieser Phänomene ist die Dämpfung. Allgemein wird angenommen, dass diese beim Fehlen von Reibkontakten normalerweise hauptsächlich aus der aerodynamischen Dämpfung besteht. In dieser Arbeit soll der Einfluss von zusätzlicher Dämpfung durch die Rotorlagerung auf die Gesamtdämpfung und auf das Schwingungsverhalten bei Forced Response untersucht werden. Dieser Einfluss kommt bei der Kopplung der Schaufelschwingungen in den Knotendurchmesser 1 und -1 mit den Rotorschwingungen zum Tragen, da die Dämpfung aus einer strukturdynamischen Interaktion dieser beiden Komponenten resultiert. Zu diesem Zweck wird eine Simulationskette aufgebaut, die die physikalischen Effekte im Betrieb bestmöglich abbildet. Die Simulationskette basiert im Wesentlichen auf einem strukturdynamischen Vollmodell des Blisk-Rotor-Verbundes und einem instationären CFD-Modell unter Nutzung der Harmonic Balance Methode zur Berücksichtigung der aeroelastischen Effekte. Zusätzlich erfolgt auf Basis einer experimentellen Modalanalyse im Stillstand eine Identifikation der Verstimmungsparameter der Beschaufelung. Alle Ergebnisse fließen in ein strukturdynamisches Modell reduzierter Ordnung ein, das das Schwingungsverhalten der Beschaufelung berechnet. Die numerischen Ergebnisse werden mit Messdaten verglichen. Dies umfasst insbesondere im Betrieb bestimmte Dämpfungen unter Nutzung eines akustischen Anregungssystems und gemessene Frequenzgänge bei Forced Response. Die numerischen Ergebnisse zeigen dabei im Rahmen der experimentellen Unsicherheiten eine sehr gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen, sowohl in Bezug auf die Dämpfungen als auch die verstimmten Frequenzgänge. Die Schaufel-Rotor-Interaktion hat dabei signifikante Einflüsse auf einige Eigenfrequenzen und Dämpfungen. Die modale Dämpfung erhöht sich durch die Berücksichtigung der Interaktion um bis zu das Fünfzehnfache, was bei den mittleren verstimmten Schaufelamplituden zu einer Reduktion um den Faktor neun führt. Durch die Berücksichtigung der Schaufel-Rotor-Interaktion in der Auslegung können somit höhere Sicherheitsfaktoren in der Festigkeitsbetrachtung resultieren, so dass die Potentiale in der aerodynamischen Auslegung besser genutzt werden können.

AB - Im Rahmen des Auslegungsprozesses von Turbomaschinen können aerodynamisch optimale Designs oftmals nicht realisiert werden, da in der aeroelastischen Auslegung die strukturelle Integrität nicht gewährleistet ist. Problematisch sind dabei hohe Schwingungsamplituden, die beispielsweise durch selbsterregte Schwingungen (Flattern) oder zwangserregte Schwingungen (Forced Response) auftreten. Eine wichtige Einflussgröße bei der Vorhersage dieser Phänomene ist die Dämpfung. Allgemein wird angenommen, dass diese beim Fehlen von Reibkontakten normalerweise hauptsächlich aus der aerodynamischen Dämpfung besteht. In dieser Arbeit soll der Einfluss von zusätzlicher Dämpfung durch die Rotorlagerung auf die Gesamtdämpfung und auf das Schwingungsverhalten bei Forced Response untersucht werden. Dieser Einfluss kommt bei der Kopplung der Schaufelschwingungen in den Knotendurchmesser 1 und -1 mit den Rotorschwingungen zum Tragen, da die Dämpfung aus einer strukturdynamischen Interaktion dieser beiden Komponenten resultiert. Zu diesem Zweck wird eine Simulationskette aufgebaut, die die physikalischen Effekte im Betrieb bestmöglich abbildet. Die Simulationskette basiert im Wesentlichen auf einem strukturdynamischen Vollmodell des Blisk-Rotor-Verbundes und einem instationären CFD-Modell unter Nutzung der Harmonic Balance Methode zur Berücksichtigung der aeroelastischen Effekte. Zusätzlich erfolgt auf Basis einer experimentellen Modalanalyse im Stillstand eine Identifikation der Verstimmungsparameter der Beschaufelung. Alle Ergebnisse fließen in ein strukturdynamisches Modell reduzierter Ordnung ein, das das Schwingungsverhalten der Beschaufelung berechnet. Die numerischen Ergebnisse werden mit Messdaten verglichen. Dies umfasst insbesondere im Betrieb bestimmte Dämpfungen unter Nutzung eines akustischen Anregungssystems und gemessene Frequenzgänge bei Forced Response. Die numerischen Ergebnisse zeigen dabei im Rahmen der experimentellen Unsicherheiten eine sehr gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen, sowohl in Bezug auf die Dämpfungen als auch die verstimmten Frequenzgänge. Die Schaufel-Rotor-Interaktion hat dabei signifikante Einflüsse auf einige Eigenfrequenzen und Dämpfungen. Die modale Dämpfung erhöht sich durch die Berücksichtigung der Interaktion um bis zu das Fünfzehnfache, was bei den mittleren verstimmten Schaufelamplituden zu einer Reduktion um den Faktor neun führt. Durch die Berücksichtigung der Schaufel-Rotor-Interaktion in der Auslegung können somit höhere Sicherheitsfaktoren in der Festigkeitsbetrachtung resultieren, so dass die Potentiale in der aerodynamischen Auslegung besser genutzt werden können.

U2 - 10.15488/15543

DO - 10.15488/15543

M3 - Dissertation

CY - Hannover

ER -