Einfluss regenerationsbedingter Varianzen der Schaufelgeometrie auf erzwungene Schwingungen in einer mehrstufigen Turbine

Abstract

In Flugtriebwerken sind Turbinenschaufeln hohen aerodynamischen, mechanischen, thermischen und chemischen Belastungen ausgesetzt, was einen hohen Verschleiß zur Folge hat. Um die funktionalen Eigenschaften der Turbinenschaufeln wie das aerodynamische Verlustverhalten und das Schwingungsverhalten zu erhalten, ist eine regelmäßige Regeneration der Schaufeln erforderlich. Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung des Einflusses von verschleiß- und regenerationsbedingten Varianzen in der Schaufelgeometrie auf erzwungene Schwingungen stromabwärts liegender Stufen einer mehrstufigen Turbine. Das Ziel ist es, die Änderung des Schwingungsverhaltens durch den Regenerationsprozess so abzuschätzen, dass kritische Schwingungszustände in mehrstufigen Turbinen infolge der Regeneration auch stufen-übergreifend vermieden werden. Für dieses Vorhaben werden zunächst für die Regeneration typische geometrische Varianzen in die Leitbeschaufelung einer fünfstufigen Axialturbine übertragen. Der Analyse des aerodynamischen Verhaltens der einzelnen Stufen folgt die Bestimmung der erzwungenen Schwingungen mittels der Methode der unidirektionalen Fluid-Struktur-Kopplung. Mit dieser Methode werden die Auswirkungen geometrischer Varianzen auf das Schwingungsverhalten der Laufschaufeln in stromabwärts liegenden Stufen bestimmt. Anschließend werden die numerischen Ergebnisse mit den experimentellen Ergebnissen des Prüfstands validiert. Die Validierung des aerodynamischen Verhaltens erfolgt mit pneumatischen Fünflochsonden und die der Schaufelschwingungsamplituden mit einem berührungslosen Schaufelschwingungsmesssystem. Aus den Ergebnissen dieser Arbeit folgt, dass geometrische Varianzen auch nach mehreren Stufen signifikante Änderungen auf aerodynamische Größen wie der Durchfluss- und Leistungszahl verursachen. Darüber hinaus lässt sich sowohl numerisch als auch experimentell ein Einfluss auf die Schwingungsamplitude der Laufschaufeln stromabwärts liegender Stufen bestimmen. Der Einfluss geometrischer Variationen auf die Schwingungsamplitude reduziert sich durch eine zwischengelagerte Stufe zwischen der modifizierten Schaufelreihe und der analysierten Laufreihe um bis zu den Faktor 10. Dennoch ergibt sich eine Verstärkung der Schwingungsamplitude um mindestens das 4-fache gegenüber dem Referenzfall. Die Schwingungsamplitude ist dabei stark abhängig vom Betriebspunkt, von der Art und Größe der geometrischen Varianz und von der angeregten Mode. Die Nachlaufanregung ist dabei stufen-übergreifend als der dominierende Anregungsmechanismus identifiziert worden. Außerdem bietet der lineare Zusammenhang zwischen der Schwingungsamplitude und der Änderung der Leistungszahl die Möglichkeit, die Schwingungsamplitude infolge geometrischer Varianzen abzuschätzen und dadurch Empfehlungen für den Regenerationsprozess aufzustellen.