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Verstimmungsuntersuchungen am Laufrad (Blisk) eines modernenFlugtriebwerk-Hochdruckverdichters
(2011)
Verbunden mit der Forderung nach immer leistungsfähigeren, umweltfreundlicheren und hinsichtlich des Treibstoffverbrauchs effizienteren Triebwerken kommen in der jüngeren Vergangenheit mehr und mehr Verdichterlaufräder in Integralbauweise zum Einsatz.Wesentlicher Vorteil der integralen Bauteile ist eine, im Vergleich zur herkömmlichen Bauweise von Laufrädern mit gesteckten Schaufeln, deutliche Gewichtsreduktion. Diese ergibt sich einerseits aus der für die Blisk-Bauweise nicht mehr notwendigen, aufwändigen und massiven Schaufel-Scheibe-Fußkonstruktion sowie andererseits aus einem günstigeren Kraftfluss, der die Fliehkräfte der Schaufeln direkt in die Scheibe leitet. Da hierbei im Scheibenrandbereich Material eingespart wird, ist es möglich die Scheibe insgesamt leichter zu gestalten. Somit sind höhere Drehzahlen der Hochdruckverdichterwelle möglich, was zu höheren Druckverhältnissen führt. Unter der Maßgabe eines gleichen Druckverhältnisses für den Verdichter insgesamt, kann die Anzahl der Schaufeln der Laufräder reduziert oder es können gar ganze Verdichterstufen eingespart werden.Demgegenüber treten jedoch Phänomene, die durch ein unterschiedliches strukturdynamisches Verhalten der Schaufeln untereinander verursacht werden, bei Blisks besonders hervor. Grund dafür ist die fehlende Reibung an den in der konventionellen Bauweise vorhandenen formschlüssigen Kontaktstellen zwischen den Schaufeln und der Scheibe. Daher ist die mechanische Dämpfung für Laufräder in Integralbauweise deutlich kleiner als für vergleichbare Laufräder mit gesteckten Schaufeln.Mit zahlreichen numerischen Berechnungen und Experimenten an einer Rotorstufe aus einem im heutigen Triebwerksbau üblichen Hochdruckverdichter wird das strukturdynamische Verhalten diskutiert, wobei neben den drei Grundmodenfamilien wie erster und zweiter Biegung sowie der ersten Torsion auch höhere Modenfamilien untersucht werden. Grundlage für die numerischen Untersuchungen des verstimmten Rechenmodells sind schaufelindividuelle Verstimmungsmessungen, aus denen Parameter für den Abgleich des unverstimmten FE-Modells hin zum verstimmten FEModell extrahiert werden. Dieser Abgleich führt zu einem verstimmten Rechenmodell, welches die dynamischen Eigenschaften des realen Systems widerspiegelt.Unter der Annahme, dass die Verstimmung maßgeblich von Geometrievariationen der Schaufeln untereinander geprägt ist, wird eine 3D-Geometrievermessung ebenfalls mit dem Ziel durchgeführt, ein verstimmtes Modell zu erzeugen, welches das gemessene, strukturdynamische Verhalten der realen Struktur wiedergibt. Jedoch ergeben sich bisher zwischen den Berechnungsergebnissen des geometrieangepassten Modells und Messungen an der realen Blisk deutliche Unterschiede.Mittels einer neuartigen Methodik zur Einteilung von Eigenfrequenzen in Modenfamilien werden in dieser Arbeit Größen vorgestellt, die Rückschlüsse über die Sensitivität einer Modenfamilie gegenüber einer möglichen Verstimmung zulassen. Die Einteilung der Eigenfrequenzen und dazugehöriger Eigenformen erfolgt anhand strukturdynamischer Gesichtspunkte wie z.B. der Verzerrungsenergieverteilung auf den Schaufel- und Scheibenanteil oder anhand des modalen Vergleichskriteriums (MAC).Kernpunkt dieser Arbeit bildet die experimentelle Erregung und Messung von Umlaufwellen. Hierbei werden im Frequenzbereich gesplitteter Eigenfrequenzen des verstimmten Systems stehende sowie mit der Erregung und gegen die Erregung umlaufende erzwungene Schwingformen nachgewiesen. In diesem Zusammenhang wird ein Kriterium eingeführt, welches stehende und drehende Schwingformen quantitativ unterscheidet. Der Vergleich experimenteller Ergebnisse mit numerischen Berechnungen zeigt eine gute Übereinstimmung für die analysierten erzwungenen Schwingformen.Ein in der jüngeren Vergangenheit in Bezug auf zyklisch rotationssymmetrische Strukturen vermehrt untersuchtes Phänomen, das so genannte Frequency-Veering, wird in dieser Arbeit ausführlich experimentell untersucht. Zwei Frequency-Veering Bereiche zeigen sich an der untersuchten Blisk im Frequenzbereich höherer Modenfamilien. Hierbei ergibt sich keine größere Sensibilität der Struktur gegenüber ihrer Verstimmung.
As a result of more balanced blade aspect ratios of modern blade-integrated disks (blisks), interactions between disk-dominated and blade-dominated modes are becoming more and more important, especially if blade mistuning is considered. The specific vibration behavior in these transition regions is characterized by a mix of both fundamental mode types into “coupled” modes. In this paper, numerical and experimental investigations based on a front high-pressure compressor (HPC) blisk stage were carried out in order to determine the effect of blade mistuning on those regions in detail. At this, effects like mode localization and amplitude magnification are found to be weakened in an integer frequency-veering zone. Contrary to this, blisks are very sensitive to mistuning in regions of pure blade-dominated mode families with high modal density.