LS Strukturmechanik und Fahrzeugschwingungen
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It is important to steadily refine lightweight designs with regard to saving resources and energy in common with good economic efficiency.
Thin structured sheet metals offer significantly improved component stiffnesses in addition to an upgraded buckling behavior compared to flat, unstructured sheet metals.
By using a distortion energy based homogenization method it is possible to develop a mechanical surrogate model which describes effective mean properties. The accurate selection of symmetric and periodic boundaries enables to determine the required parameters. The conditions are contemplated on elementary cells whose structural mechanical behavior is representative for the elastic behavior of large structures. By doing this, the amount of elements can be reduced and thus the calculating time of large components can considerably be saved.
For an efficient surrogate model it is required to analyze and compare numerical with experimental investigations. Some different versions of optimization will be tested to get better approximation of the data.
In the drive for higher cycle efficiencies in gas turbine engines, turbine blades are seeing an increasingly high heat load. This in turn demands improvements in the internal cooling system and a better understanding of both the level and distribution of the internal heat-transfer. A typical approach to enhance the internal cooling of the turbine blade is by casting angled ‘low blockage’ ribs on the walls of the cooling channels. The objective of the present paper is to determine the detailed Nusselt number distribution in rectangular internal channels with ribs. This knowledge can be used to guide the overall design e.g. to achieve high levels of heat-transfer where required. The effects of rotation as well as the interaction effects of the position and direction of ribs on opposite walls of the cooling channel have been investigated.
Numerical calculations have been carried out using the commercial CFD code Fluent to investigate the local Nusselt number enhancement factor in rectangular ducts of different aspect ratios (0.5, 1 and 2) which have 45° or 90° angled ribs located on two opposite walls. This has been studied for different Rotation number Ro (0–0.45) and with a Reynolds number >30000.
The first series of studies has been carried out with the same experimental setup as by Han [1]. The geometry was slightly changed to avoid the effect of high heat transfer at the entry.
This study identifies important vortical structures, which are dependent on the direction and the position of the ribs. This has a profound effect on the distribution of heat-transfer within the passage. It is shown that the two smooth walls of the duct have different average Nusselt number ratio Nu/NuFD enhancement depending on the rib angle.
In addition, based on numerical investigations, simple correlations have been developed for the rotational influence of the internal Nusselt number distribution. A major finding is that the effect of rotation is dominant for low aspect ratio channels and the local enhancement due to the rib position and angle is more dominant for high aspect ratio channels.
The forced response of an E3E-type HPC-blisk front rotor is analyzed with regard to varying mistuning and the consideration of the fluid-structure interaction (FSI). For that purpose, a reduced order model is used in which the disk remains unchanged and mechanical properties of the blades namely stiffness and damping are adjusted to measured as well as intentional blade frequency mistuning distributions. The aerodynamic influence coefficient technique is employed to model the aeroelastics. Depending on the blade mode, the exciting engine order and aerodynamic influences it is sought for the worst mistuning distributions with respect to the maximum blade displacement based on optimization analyses. Genetic algorithms using blade alone frequencies as design variables are applied. The validity of the Whitehead-limit is assessed in this context. In particular, the question is addressed if and how far aeroelastic effects, mainly caused by aerodynamic damping, combined with mistuning can even cause a reduction of the forced response compared to the ideally tuned blisk. It is shown that the strong dependence of the aerodynamic damping on the inter-blade phase angle is the main driver for a possible response attenuation considering the fundamental as well as a higher blade mode. Furthermore, the differences to the blisk vibration response without a consideration of the flow and an increase of the disk’s stiffness are discussed. Closing, the influence of pure damping mistuning is analyzed again using optimization.
Radial turbine wheels designed as blade integrated disks (blisk) are widely used in various industrial applications. However, related to the introduction of exhaust gas turbochargers in the field of small and medium sized engines, a sustainable demand for radial turbine wheels has come along. Despite those blisks being state of the art, a number of fundamental problems, mainly referring to fluid-structure-interaction and, therefore, to the vibration behavior, have been reported. Aiming to achieve an enhanced understanding of fluid-structure-interaction in radial turbine wheels, a numerical method, able to predict forced responses of mistuned blisks due to aerodynamic excitation, is presented. In a first step, the unsteady aerodynamic forcing is determined by modeling the spiral casing, the stator vanes, and the rotor blades of the entire turbine stage. In a second step, the aerodynamic damping induced by blade vibration is computed using a harmonic balance technique. The structure itself is represented by a reduced order model being extended by aerodynamic damping effects and aerodynamic forcings. Mistuning is introduced by adjusting the modal stiffness matrix based on results of blade by blade measurements that have been performed at rest. In order to verify the numerical method, the results are compared with strain-gauge data obtained during rig-tests. As a result, a measured low engine order excitation was found by modeling the spiral casing. Furthermore, a localization phenomenon due to frequency mistuning could be proven. The predicted amplitudes are close to the measured data.
Analysis of oxygen exchange-limited transport and chemical stresses in perovskite-type hollow fibers
(2012)
Modal and Aeroelastic Analysis of a Mistuned Compressor Blisk Using an Equivalent Blisk Model
(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.
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)
Grundlegende Untersuchungen zum Schwingungsverhalten von Verdichterlaufrädern in Integralbauweise
(2009)
Simulation fluidgedämpfter Strukturschwingungen mittels partitioniertem Kopplungssatz via MpCCI
(2006)
Numerical simulation of localization phenomena in the frame of damage parameter identification
(2006)
Determination of ductile damage parameters by local deformation fields: Measurement and Simulation
(2006)
Secure Power for Jet Engines
(2006)
Theoretische und experimentelle Untersuchungen von Schaufelschwingungen bei Verdichterintegralrädern
(2006)