Im strukturdynamischen Auslegungsprozess von Turbomaschinenlaufrädern ist die Berücksichtigung von schaufelindividuellen Imperfektionen von großer Bedeutung. Während bei der idealisierten Betrachtung der Laufräder die Schwingungsenergie über die einzelnen Schaufelsegmente gleichverteilt ist, so kommt es unter Berücksichtigung von Verstimmungen zur Lokalisierung der Schwingungsenergie. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zur rechenzeiteffizienten Analyse von verstimmten, rotierenden Laufrädern.
Unter Verwendung von system- und komponentenmodenbasierter Modellordnungsreduktion sowie eines Ansatzes zur Approximation der sich aus der Laufradrotation ergebenden Zusatzmatrizen erfolgt die Validierung der Vorhersagegenauigkeit des freien- und erzwungenen Schwingungsverhaltens am Beispiel einer Verdichterbeschaufelung.
Basierend auf der durch den Einsatz geeigneter Reduktionstechniken erzielbaren Rechenzeitersparnis wird die maximal mögliche Amplitudenüberhöhung sowie das Phänomen der Amplitudenreduktion auf Basis von probabilistischen Analysen und heuristischen Optimierungsberechnungen untersucht. Neben der Gegenüberstellung von numerischen Resultaten und Ergebnissen aus analytischen Formulierungen wird der Einfluss des Coriolis-Effektes diskutiert.
Zur Identifikation von strukturellen Verstimmungen wird ein neuer analytischer Identifikationsansatz hergeleitet und seine Eignung in numerischen Untersuchungen gezeigt. Abschließend erfolgt die realitätsnahe Validierung des neuen Identifikationsansatzes sowie eines weiteren analytischen und heuristischen Identifikationsansatzes auf Basis von Messdaten. Als Eingangsgrößen zur Verstimmungsidentifikation dient das aus einer experimentellen Modalanalyse extrahierte Eigenschwingungsverhalten einer Verdichterbeschaufelung.
Aktualisiert: 2021-07-15
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Radiale Turbinen- und Verdichterräder bilden hinsichtlich Wirtschaftlichkeit, Effizienz und insbesondere Umweltverträglichkeit essenzielle Eckpfeiler moderner Verbrennungskraftmaschinen. Sie repräsentieren in vielfältigen technischen Anwendungen den Stand der Technik. Umweltrelevante Aspekte beeinflussen die Entwicklung der Verbrennungsmotoren und treiben somit die Entwicklung der Abgasaufladung voran. Im Allgemeinen sind hierfür besonders hohe Druckverhältnisse erforderlich, die die Struktur erheblich belasten.
Die hohen aerodynamischen Ansprüche erfordern filigrane Schaufelgeometrien. Immer dünnere Schaufeln, in Verbindung mit der geringen mechanischen Dämpfung infolge der Integralbauweise erschweren die schwingungssichere Auslegung von Turbomaschinen. Kleinste Imperfektionen, die bereits während der Fertigung entstehen, dominieren das dynamische Verhalten realer Komponenten. Die Abweichung vom ursprünglichen Design wird als Verstimmung (engl. Mistuning) bezeichnet. Die weitgehend zufällige Verstimmung reduziert die Lebensdauer der Komponenten, die durch Fliehkraft, Strömungsumlenkung, instationäre Druckschwankungen der Strömung sowie Temperaturgradienten dauerhaft hoch belastet sind.
Die vorliegende Arbeit widmet sich der Beschreibung des Strukturverhaltens radialer Laufräder. Der Fokus der Arbeit liegt auf der Beschreibung der Radialturbine des Typs MAN TCR 18. Zusätzlich werden die Erkenntnisse dieses Laufrades mit weiteren radialen Laufrädern verglichen. Auf Grundlage von Messdaten, numerischen Berechnungsmodellen und Simulationsergebnissen gelingt es schließlich einen Leitfaden zur schwingungssicheren Auslegung von radialen Turbomaschinen mit dem Fokus auf Mistuning und Dämpfung bereitzustellen.
Aktualisiert: 2022-12-31
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Die Arbeit beschäftigt sich mit den Auswirkungen fertigungsbedingter Abweichungen auf das strukturdynamische Verhalten realer Radialturbinenlaufräder. Am Anfang steht die mathematische Beschreibung zyklisch rotationssymmetrischer Laufräder. Verstimmung (engl. Mistuning) führt jedoch zu einer Störung der zyklischen Rotationssymmetrie.
Die Auswirkungen werden anhand von experimentellen Untersuchungen an sechs Radialturbinenlaufrädern gleichen Typs analysiert. Die Ergebnisse dienen im weiteren Verlauf als Eingangsparameter für den Prozess der Parameteridentifikation. Aufbauend auf einer Analyse verschiedener Modellierungsvarianten wird das Subset of Nominal System Modes, ein sogenanntes systemmodenbasiertes Modell reduzierter Ordnung für die numerischen Untersuchungen, ausgewählt. In Verbindung mit einer sektorindividuellen Beschreibung der Steifigkeit ist dieses für die mathematische Beschreibung des dynamischen Verhaltens realer Radialturbinenlaufräder geeignet. Erweiterte probabilistische Studien zur Bestimmung der maximalen Beanspruchungsüberhöhung infolge von Mistuning führen zum Konzept der Modalen Dichte. Dieses praxistaugliche Konzept erlaubt die Einordnung der einzelnen Schwingungsformen bezüglich ihrer Neigung zur Ausprägung starker Beanspruchungsüberhöhungen. Hierfür ist einzig die Eigenwertanalyse des idealen Laufrades erforderlich. Im zweiten Teil der Arbeit wird die Übertragbarkeit der im Stillstand gewonnenen Parameter zur Modellbeschreibung realer Radialturbinenlaufräder auf die Betriebsbedingungen untersucht. Dabei erfolgt die Separierung der Einflussgrößen Drehzahl, Temperatur und Umströmung in einem vakuumtauglichen Prüfstand. Um eine möglichst vollständige experimentelle Datenbasis zu erhalten, wird die Blade Tip Timing Methode zur Erfassung der Schaufelschwingungsamplitude verwendet. Hiermit kann die Schwingungsantwort jeder Schaufel erfasst werden. Beim Vergleich der numerischen Vorhersage mit den experimentellen Daten ergeben sich gute Übereinstimmungen, sofern die Effekte transienter Resonanzdurchgänge berücksichtigt werden.
Aktualisiert: 2022-12-31
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Die Ultraschallsonotroden übertragen die Schwingungsenergie vom piezoelektrischen Wandler auf ein Werkstück. In den meisten Fällen werden diese Schwinger in einer longitudinalen Schwingungsmode betrieben. Häufig sind auch andere Moden an der Gesamtantwort beteiligt und bereiten den Herstellern von Ultraschallwerkzeugen oft erhebliche Schwierigkeiten.
In dieser Arbeit werden die Interaktionen mit diesen Nachbarmoden in Abhängigkeit ihres Typs und ihrer Frequenzlage bewertet. Der Einfluss der Materialheterogenität auf das Schwingverhalten der Sonotroden und auf die Simulationsergebnisse der FEAnalysen wird ebenfalls untersucht. Die entwickelten Methoden ermöglichen bessere und verlässlichere Simulationsergebnisse bei der Auslegung von Sonotroden.
Aktualisiert: 2019-11-07
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Die Laufschaufeln von Turbomaschinen werden durch fluktuierende Fluidkräfte zu dynamischen Schwingungen angeregt. Eine Verstimmung der Schaufeln von Schaufelkränzen z.B. durch Fertigungstoleranzen kann zu einer Lokalisierung der Schwingungsenergie führen und deshalb die dynamische Belastung einzelner Schaufeln signifikant vergrößern.
Zur Auslegung der Beschaufelung werden Methoden zur effizienten Simulation von verstimmten Schaufelkränzen entwickelt. Basierend auf komplexen Finite-Elemente-Modellen wird durch Reduktionsmethoden die Anzahl der Freiheitsgrade reduziert. Hierdurch wird die Rechenzeit für die Bestimmung eines typischen Frequenzganges von der Größenordnung von Tagen auf Sekunden verringert. Darauf aufbauend wird eine numerisch effiziente Simulation von Reibdämpfern in das Modell integriert.
Auf Basis dieser Methode werden Strategien zur Vermeidung der Energielokalisierung abgeleitet. Diese basieren auf einer geschickten Anordnung eines Schaufelsatzes entlang der Scheibe, auf einer bewussten Verstimmung mit verschiedenen Schaufeltypen oder einer optimalen Auslegung der Reibdämpfer.
Bladings in turbomachinery applications are subjected to high dynamic loads due to fluctuating gas or steam forces. Herein the resonant amplitudes of turbine blades are very sensitive to small deviations of the blade properties. This phenomenon called mistuning can lead to significantly increased amplitudes of some blades with increased risk of high cycle fatigue failures.
Amethod is developed to efficiently simulate mistuned bladed disks. Based on finite element models a reduced order model is derived that results in a reduction of the calculation time for a typical frequency response function from days to seconds. A numerically efficient simulation method for bladed disks with coupling devices is implemented in the reduced order model.
Based on this method rules are developed to minimize the amplitude amplification due to mistuning. These are focused on the arrangement of the blades around the disk, so-called intentional mistuning with different blade types, and an optimal design of coupling devices.
Aktualisiert: 2019-11-07
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