LS Strukturmechanik und Fahrzeugschwingungen
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BTU
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.
The present work presents the aeroelastic analyses of mistuned blisk forced response employing a surrogate lumped mass model with aerodynamic influence coefficients. Prior to these, the state of the art in mistuning analysis is summarised and the theoretical background of the structural as well as the aerodynamical model employed in this work is illustrated. Consequently, the validation of the aeroelastic methods is presented at the example of the compressor likeStandard Configuration 10, a standardised test case of an aerofoil vibrating in a cascade, and the aerodynamical model is validated against bidirectionally coupled fluid structure interaction simulations of a 2D compressor rotor model. Finally, the aeroelastic behaviour of a mistuned blisk is analysed featuring measured mistuning patterns and extensive probabilistic analyses of mistuned blisk forced response. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Analyse erzwungener Schwingungen von verstimmten Verdichterlaufrädern unter Verwendung eines diskreten Ersatzmodells und aerodynamischen Einflusskoeffizienten. Zunächst werden der Stand der Technik bezogen auf die Untersuchung verstimmter Systeme zusammengefasst und die theoretischen Hintergründe des verwendeten Struktur- sowie aerodynamischen Modells dargestellt. Im Anschluss daran werden die aeroelastischen Methoden anhand der Standard Konfiguration 10, einem standardisierten Testfall schwingender Schaufeln in einer Kaskade, überprüft und das aerodynamische Modell mit Hilfe bidirektional gekoppelter Fluid-Struktur-Interaktions-Simulationen eines 2D Modells eines Verdichterrotors validiert. Schließlich wird das aeroelastische Verhalten einer verstimmten Verdichter-Blisk untersucht, wobei neben der Analyse experimentell ermittelter Verstimmungsverteilungen auch ausführliche, probabilistische Simulationen durchgeführt wurden.
Verstimmungsuntersuchungen am Laufrad (Blisk) eines modernenFlugtriebwerk-Hochdruckverdichters
(2011)