Quantifizierung der aerodynamischen Dämpfung

Abstract

Der sichere Betrieb von Turbomaschinen setzt die mechanische Integrität der Schaufeln voraus. Die Belastung der Schaufeln durch Schwingungen muss dazu soweit reduziert werden, dass Schäden durch Dauerschwingbruch ausgeschlossen werden können. Eine Voraussetzung dafür ist, dass die Dämpfungseinflüsse auf die Schwingung der Schaufeln bekannt sind. Im Gegensatz zu der Material- und der Reibungsdämpfung können die Reaktionskräfte des Fluides auf die Schwingung der Schaufel sowohl einen dämpfenden als auch einen anfachenden Einfluss haben. Diese aerodynamische Dämpfung ist deshalb von besonderer Bedeutung für die aeromechanische Auslegung von Turbomaschinen. Bislang sind nur wenige Versuche, die aerodynamische Dämpfung unter realistischen Betriebsbedingungen zu messen, dokumentiert. Die bekannten Versuche unterliegen jedoch einer großen Unsicherheit durch Reibungsdämpfung.

Für diese Dissertation wird eine einstufige Turbine ausgelegt und aufgebaut. Die als Blisk ausgeführte Laufreihe wird akustisch zur Schwingung angeregt. Die Methode der akustischen Schwingungsanregung ermöglicht es, alle Knotendurchmesser der Blisk berührungslos und unabhängig von den Werkstoffeigenschaften der Schaufeln anzuregen. Eine Blisk zeichnet sich dadurch aus, dass sie keine Fügestellen an den Schaufelfüßen aufweist. So werden Einflüsse durch Reibungsdämpfung minimiert. Im Versuch wird der aerodynamische Betriebspunkt der Versuchsturbine konstant gehalten, während die Schaufeln durch eine Frequenzrampe in ihrer Resonanz angeregt werden. Die Schwingungsantwort der Schaufeln wird ebenfalls berührungslos mit einem optischen Tip-Timing-System gemessen und aus dieser die aerodynamische Dämpfung bestimmt.

Aus den Ergebnissen dieser Arbeit folgt, dass die Methode der akustischen Schwingungsanregung geeignet ist, um die Schaufeln einer Turbomaschine im Betrieb anzuregen, und dass aus den Schwingungsantworten der Schaufeln eine Quantifizierung der aerodynamischen Dämpfung möglich ist. Die Messungen zeigen, dass der Einsatz der Blisk wirksam die Reibungsdämpfung minimiert und damit die aerodynamische Dämpfung isoliert. Weiter zeigen die Ergebnisse, dass die Simulationen der Aeroelastik Größenordnung und Trend der aerodynamischen Dämpfung sehr gut voraussagen.

The safe operation of turbomachinery requires that the vibrational load on the blades is reduced to such an extent that damage due to high cycle fatigue can be ruled out. A prerequisite is that the damping effects on the vibration of the blades are known. In contrast to the material and friction damping, the reaction forces of the fluid on the blade due to its vibration can have both a damping as well as a stimulating influence on the vibration. This so called aerodynamic damping is therefore of particular importance for the aeromechanical design of turbomachinery. So far, few attempts to measure aerodynamic damping under realistic operating conditions have been documented. However, the known experiments are subject to a large uncertainty due to friction damping.

For this thesis, a single-stage turbine is designed and built. The rotor disk is designed as a blisk and is acoustically excited to vibrate. In this way, a non-contact excitation of all nodal diameters of the blisk is achieved, which is independent of the material properties of the blades. At the same time, the friction damping can be minimized since the blisk has no joints on the blade roots. In the experiment, the aerodynamic operating point of the experimental turbine is kept constant, while the blades are excited with a ramp excitation in their resonance. An optical tip-timing system allows a non-contact measurement of the vibration response of the blades, from which the aerodynamic damping is derived.

From the results of this work, it follows that the acoustic vibration excitation is suitable to excite the blades of a turbomachine in operation and that from the vibration responses of the blades, a quantification of the aerodynamic damping is possible. The measurements show that the use of a blisk effectively minimizes friction damping. Further, the results show that the aeroelasticity simulation predicts magnitude and trend of aerodynamic damping very well.