Akustische Anregung von Schaufelschwingungen in Turbomaschinen

Abstract

Die Aeroelastik ist für die Auslegung von Turbomaschinen von zentraler Bedeutung. Besonders deutlich wird dies am Beispiel von integralen Laufrädern, einer Technologie, die aktuell zur Steigerung der spezifischen aerodynamischen Stufenarbeit eingesetzt wird. Die integrale Verbindung zwischen den Schaufeln und der Scheibe lässt gegenüber konventionell ausgeführten Steckverbindungen höhere mechanische Belastungen zum Beispiel durch höhere Drehzahlen zu. Gesteigerte Drehzahlen haben den Vorteil, dass die spezifische aerodynamische Stufenarbeit ebenfalls gesteigert werden kann. Als ein Nachteil der integralen Bauweise ergibt sich jedoch eine erhöhte Schwinganfälligkeit der Beschaufelung. Um die Betriebssicherheit gewährleisten zu können, müssen Schaufelschwingungen in der Auslegung berücksichtigt werden. Hierfür sind zum einen ein tiefgreifendes physikalisches Verständnis und zum anderen experimentell validierte Berechnungsverfahren notwendig. Für beide Anforderungen werden qualitativ hochwertige Messdaten benötigt, die unter möglichst realitätsnahen Bedingungen erfasst werden. Daten der erforderlichen Qualität sind in der frei zugänglichen Literatur jedoch nicht vorhanden. Vielmehr ist ein Mangel an publizierten Ergebnissen festzustellen, die zum Beispiel die Rotation der Laufschaufeln in Turbomaschinen mit einbeziehen. Mit dem Ziel, Schaufelschwingungen gezielt anregen zu können und damit eine Grundlage für die Erforschung der Physik aeroelastischer Effekte und für die Validierung numerischer Verfahren zu schaffen, wird in dieser Arbeit ein akustisches Anregungssystem entwickelt. Das Grundkonzept dieses Systems sieht eine definierte Anzahl von akustischen Anregungseinheiten vor, die auf den Umfang gezielt verteilt und im Gehäuse der Turbomaschine fixiert eine Laufschaufelreihe zum Schwingen anregen. Zunächst werden die akustischen Anregungseinheiten ausgelegt sowie der Einfluss einer typischen Turbomaschinenströmung auf die akustische Anregung untersucht. Anschließend erfolgt erstmals der Nachweis der gezielten akustischen Anregung von Schwingungen in einer Laufreihe eines Axialverdichters. Die angeregten Schwingungen werden mit einem anhand von Dehnungsmessstreifen validierten, optischen Tip-Timing-System erfasst. Sowohl die akustische Anregung als auch die Messung der Schwingungen erfolgen berührungslos, wodurch eine Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften der untersuchten Beschaufelung verhindert wird. Basierend auf der Analyse des Schwingverhaltens der gesamten Laufreihe werden die komplexen physikalischen Zusammenhänge zwischen dem erzeugten akustischen Feld und den Schaufelschwingungen bei akustischer Anregung erkannt und erläutert. Darauf aufbauend wird erstmals das Konzept der phasenversetzten Ansteuerung der akustischen Anregungseinheiten zur gezielten Variation des im rotierenden System angeregten Knotendurchmessers erfolgreich eingesetzt. Wie die in dieser Arbeit vorgestellten Untersuchungen zeigen, birgt die akustische Anregung großes Potential für die Bewältigung des aktuellen Forschungsbedarfs in der Aeroelastik. So erfolgt die akustische Anregung berührungslos und in Kombination mit dem Tip-Timing-System minimalinvasiv. Aufgrund der Flexibilität des akustischen Systems hinsichtlich Frequenz und Amplitude der Anregung sowie der Möglichkeit der freien Variation des angeregten Knotendurchmessers ist das Konzept der akustischen Anregung im rotierenden System ein signifikanter Fortschritt gegenüber bereits publizierten alternativen Anregungsmethoden.