TY - THES A1 - Rey Villazón, Jose María T1 - Advanced aero engine common preliminary design environment for the automatic construction of secondary air system and thermal models T1 - Integrierte Vorauslegungsumgebung zur automatisierten Erzeugung von Sekundärluftsystem- und Thermalmodellen für Flugtriebwerke N2 - The state of the art in aero engine design and analysis methods is based on mature computer programs, which have been developed during several decades. The classical approach to the preliminary design phase of engine subsystems is to split the complex engineering process into disciplines and subtasks. Different experts manage the time-consuming modelling work. Due to the increasing demand for higher aero engine performance and design cycle time reduction, process integration, accuracy and agility have become key assets of the engineering work-flow. The intention of this work is to show how multi-disciplinary integration, work-flow automation and CFD-enhanced thermal modelling methods can be used efficiently to support the aero engine preliminary design phase, with focus on the high pressure turbine subsystem. A Java based common design environment for the engine secondary air system, rotors and thermal design disciplines has been developed. This design environment enables the automatic generation of CAD, flow network and thermal models. The improvements in terms of process agility and model prediction accuracy are demonstrated with the application of the implemented process to a reference high pressure turbine subsystem. For validation purposes, the preliminary design definition of the reference turbine case is reproduced. The automatically generated secondary air system and thermal models can replicate the same level of detail as the previous manual approach. It was found that the CFD-enhanced thermal model improves the prediction accuracy in the preliminary design stage, when no engine test data is available. N2 - Der Stand der Technik in der Triebwerkskonstruktion und -berechnung sind ausgereifte Methoden, die über Jahrzehnte entwickelt und in Computerprogrammen umgesetzt wurden. Nach dem klassischen Ansatz der Vorauslegung von Flugtriebwerken wird der komplexe Entwicklungsprozess in Disziplinen und Teilaufgaben aufgeteilt. Dadurch führen verschiedene Fachleute die zeitaufwendigen Modellierungsarbeiten durch. Aufgrund der steigenden Anforderungen an die Leistung eines Flugtriebwerks und zur Reduzierung der Entwicklungszeiten entwickeln sich Prozessintegration, Modellgenauigkeit und Prozessgeschwindigkeit zu Schlüsselfaktoren. Mit dieser Arbeit soll gezeigt werden, wie fachübergreifende Integration, Automatisierung und CFD-erweiterte Thermalmodellierungsmethoden zur effizienten Unterstützung in der Triebwerksvorauslegung eingesetzt werden können. Dafür wurde eine Java-basierte Vorauslegungsumgebung für die Integration der Disziplinen Sekundärluftsystemauslegung, Turbinenscheibenkonstruktion und Wärmeübergang entwickelt, welche die automatisierte Erzeugung von CAD-, Strömungsnetzwerk- und Thermalmodellen ermöglicht. Der implementierte Prozess wird auf eine existierende Hochdruckturbine als Bezugsfall angewendet, wodurch die Verbesserung der Prozessgeschwindigkeit und der Genauigkeit der Temperaturvorhersage aufgezeigt wird. Zur Validierung dieser Arbeit wird die Vorauslegung des Bezugsfalls nachgebildet. Dabei wird deutlich, dass mit diesem automatisierten Prozess die gleiche Modelltreue erreicht werden kann, wie mit dem bisher genutzten manuellen Prozess. Außerdem konnte mittels der CFD-erweiterten Thermal-modellierung die Temperaturvorhersage für Turbinenscheiben in der Vorauslegungsphase verbessert werden. KW - Aero engine design system KW - Secondary air system KW - Turbine rotor KW - Thermal modelling KW - Process integration KW - Triebwerkskonstruktion KW - Sekundärluftsystem KW - Thermal Modellierung KW - Prozessintegration KW - Flugtriebwerk KW - Konstruktion KW - Wärmeübertragung KW - Modellierung Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-36011 ER - TY - THES A1 - Klauke, Thomas T1 - Schaufelschwingungen realer integraler Verdichterräder im Hinblick auf Verstimmung und Lokalisation T1 - Blade vibrations of real blisks regarding mistuning and localisation N2 - Im Rahmen der stetigen Weiterentwicklung von Flugtriebwerken, mit dem Ziel umweltfreundlicherer, leistungsfähigerer und hinsichtlich ihres Brennstoffverbrauchs optimierter Gesamteigenschaften, nimmt die integrale Ausführung von Verdichterlaufrädern (Blisk) einen immer größeren Stellenwert ein. Aufgrund der einteiligen Bauweise der Blisks entfallen hierbei die speziell im Falle vorderer Rotoren massiven, konventionellen Schaufelfüße und Scheibenhöcker, was, bedingt durch die hierdurch resultierende Gewichtsreduktion, die Realisation moderner, hochbelasteter Verdichter mit hohen Umfangsgeschwindigkeiten erst ermöglicht. Neben den genannten Vorteilen ist jedoch auch die verschwindend geringe Strukturdämpfung und die besondere Sensitivität bezüglich Fertigungsimperfektionen zu nennen, welche eine örtliche Begrenzung von Schwingformen (Mode-Lokalisierung), begleitet durch ein deutlich erhöhtes Schwingungsniveau, hervorruft. Diese örtlich begrenzte Überhöhung der Schwingantwort verstimmter Blisks kann, in Kombination mit ungünstiger aerodynamischer Anfachungen, zu einem kritischen Anstieg des lebensdauerrelevanten Beanspruchungsniveaus einzelner Schaufeln führen. Die Kenntnis dieser Zusammenhänge bildet somit u. a. die Voraussetzung für die Auswahl geeigneter Schaufeln zur Dehnmessstreifen-Applikation, welche wiederum die Grundlage für ein aussagekräftiges Schwingungsüberwachungssystems darstellt. Diese Arbeit stellt mit Hilfe experimenteller und numerischer Untersuchungsmethoden einen ausführlichen Überblick über die Schwingungserscheinungen integraler Laufrädern dar. Hierbei werden zunächst mit Hilfe komplexer Gesamtmodelle der Rotoren eines Versuchshochdruckverdichters die Grundlagen der Struktureigenschwingungen anhand verschiedener Beispiele veranschaulicht. Aufbauend auf dem Verhalten des unverstimmten, perfekten Design-Modells werden anschließend die Unterschiede im Vergleich zum verstimmten, realen System detailliert erläutert. Nachfolgend werden die Eigenschaften unverstimmter und die Besonderheiten verstimmter Systeme während der erzwungenen Schwingung aufgezeigt, sowie neue Beurteilungsgrößen zur Charakterisierung des Schwingverhaltens vorgestellt und am Beispiel verschiedener Verdichterrotoren illustriert. In Abhängigkeit von den gegebenen Randbedingungen, wie z.B. der individuellen Systemverstimmung, der Schaufelschwingform, der Anfachung, als auch der Dämpfung prägen sich hierbei für die verschiedenen Rotorgeometrien unterschiedlich starke Mode-Lokalisierungen und Schwingungsamplituden aus, wobei sich im Besonderen Schaufeltorsionsmoden, niedrige Erregerordnungen, sowie Moden mit einer hohen Anzahl an Knotendurchmesserlinien als auch Rotoren mit einem ungünstigen Scheiben-Schaufel-Steifigkeitsverhältnis auszeichnen. Ergänzend zum Einfluss der fertigungsbedingten Schaufelverstimmung auf die Rotorunwucht werden die Auswirkungen, welche aus der zusätzlichen Dehnmessstreifen-Instrumentierung resultieren, im Hinblick auf eine Beeinflussung des Schwingverhaltens diskutiert. N2 - Aiming at more environmentally-friendly, more efficient and more powerful aero engines, integrated blade disk assemblies (blisks) will become more significant in the future development of aero engines. Compared to conventional bladed disk assemblies, the integrated design instead of heavy blade-disk connection of modern aero engine compressors results in reduced rotor masses, facilitates higher maximum rotational velocities and improved pressure ratios (increased efficiency factors). Apart from these advantages a number of disadvantages occur. Some of them are for example a very low structural damping and a higher sensitivity to manufacturing- and material tolerances (mistuning). This results in localized vibration modes, higher displacement amplitudes, critical stress levels and reduced high cycle fatigue (HCF) of several blades due to inauspicious aerodynamic excitations. From this, an optimum choice of blades to be instrumented with strain gauges (s/g) is the basis of a convincing vibration monitoring system during rig tests. Based on experimental and numerical investigations an overview of the vibration behaviour of tuned and of mistuned blisks in particular will be presented detailly in this work. The basic principles of blisk vibrations are shown using updated full finite element models of different rotor stages from a research high pressure compressor (HPC). Based on the vibrational behaviour of the tuned, ideal design model the characteristics of the mistuned system will be explained first, followed by the properties of forced response of the tuned and mistuned blisk. In this context new criteria for a simple evaluation of localized vibration modes will be introduced and illustrated in detail by comparison of different real blisk stages. The investigations show, that different levels of mode-localization and blade displacement magnifications occur, depending on the blisk geometry and boundary conditions (blade mode, engine order excitation, damping, etc.). Especially the blade-to-disk-ratio and the blade mode are dominating factors: Torsional modes, blisks with an inauspiciously related disk stiffness, low engine order excitations and blade modes with a high number of nodal diameters respectively have a higher mistuning sensitivity than blade bending modes or blisks with favourable related disk stiffness. Complementary to the influence of manufacturing-caused blade mistuning on rotor balance, the effects of s/g-application on blades will be discussed regarding the modification of the blisk vibration behaviour. KW - Schaufelschwingung KW - Verdichter KW - Flattern KW - Schwingungen KW - Verdichter KW - Schaufeln KW - Lokalisierung KW - Verstimmung KW - Vibration KW - Blisk KW - Blade KW - Mistuning KW - Localisation Y1 - 2007 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-4081 SN - 978-3-89959-685-4 ER - TY - THES A1 - Mahler-de Silva, Tina T1 - Ableitung und Validierung eines FE-Ersatzmodells für strukturierte Bleche T1 - Derivation and validation of a FE surrogate model for structured sheet metals N2 - Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines vereinfachten mechanischen Ersatzmodells für strukturierte Bleche. Diese bewirken durch ihre eingebrachten Formen eine Verbesserung der Bauteilsteifigkeit und des Beulverhaltens und versprechen somit hohes Potenzial hinsichtlich industrieller Anwendungen im Leichtbau. Zunächst wird ein Einblick in die theoretischen Grundlagen gegeben, welche essentiell für das Verständnis der Arbeit sind. Anschließend wird ein vereinfachtes Ersatzmodell entwickelt, welches auf Basis von Homogenisierungsprozessen anisotrope Materialparameter beschreibt, um das elastische Verhalten großer Strukturen aus strukturierten Blechen berechnen zu können. Für die Ersatzkennwerte werden Symmetrie- und Randbedingungen an Elementarzellen betrachtet, deren strukturmechanisches Verhalten repräsentativ bestimmend ist. Die Bestimmung eines solchen Repräsentativen Volumenelements (RVE) stellt die Basis der Homogenisierungsmethode dar. Mithilfe des Ersatzmodells wird eine effiziente numerische Auslegung gewährleistet. Der anschließende Vergleich mit experimentellen Ergebnissen unterstützt die Validierung des vereinfachten Ersatzkontinuums. N2 - The present work describes the development of a simplified mechanical surrogate model for structured sheet metals. Due to their stiffeners these metals effect an improvement of the component stiffness and buckling behaviour and therefore promise high potential with respect to industrial applications in lightweight design. At first an insight is given in the theoretical fundamentals that are significant for understanding the present work. Subsequently, a simplified surrogate model is developed which describes anisotropic material parameters based on homogenization processes, to be able to calculate the elastic behaviour of large structures. The contemplation of both symmetry and boundary conditions on elementary cells, whose structural mechanical behaviour is representative, helps identifying the surrogate parameters. The determination of such a representative volume element (RVE) can be regarded as the basis of the homogenization method. With the aid of the surrogate model an efficient numerical designing is ensured. The following comparison with experimental results supports the validation of the simplified surrogate continuum. KW - Homogenisierung KW - FEM KW - Modalanalyse KW - Strukturierte Bleche KW - Ersatzmodell KW - Homogenization KW - Modal analysis KW - Structured sheet metals KW - Surrogate model KW - Strukturiertes Blech KW - Finite-Elemente-Methode KW - Mehrkörpersystem KW - Homogenisierung Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-35484 ER - TY - THES A1 - Nipkau, Jens T1 - Analysis of mistuned blisk vibrations using a surrogate lumped mass model with aerodynamic influences T1 - Analyse verstimmter Blisk Schwingungen unter Verwendung eines diskreten Ersatzmodells und unter Berücksichtigung aerodynamischer Einflüsse N2 - 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 like Standard 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. N2 - 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. KW - Verdichter KW - Blisk KW - Schwingung KW - Verdichter KW - Blisk KW - Schwingung KW - Aeroelastik KW - Blisk KW - Aeroelasticity KW - Mistuning KW - Vibration KW - Flutter KW - Forced Response Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-22253 SN - 978-3-8440-0302-4 ER - TY - THES A1 - Lenk, Olaf T1 - Charakterisierung und Anwendung von flächig periodischen Metall-Ringgeflechten T1 - Characterisation and application of planar periodic metallic chain mail N2 - Metallische Ringgeflechte werden in verschiedenen Anwendungen zum Körperschutz gegen Schläge, Stiche und Schnitte eingesetzt. Dabei hat sich das Anwendungsgebiet von einem ausschließlich militärischen Gebrauch auf Bereiche des Arbeitsschutzes, der Architektur sowie der Schmuckindustrie verlagert. Die vorliegende Arbeit leistet einen Betrag dazu, metallische Ringgeflechte über ein elastisches Ersatzmodell näherungsweise abzubilden und somit das Systemverhalten in einer entsprechenden Anwendung analytisch zu erfassen. Die dazu nötigen globalen Materialeigenschaften werden über geeignete Methoden aus dem inhomogenen Aufbau des Ringgeflechts in eine vereinfachte kontinuums-mechanische Beschreibung überführt. Eine derartige Homogenisierung kann sowohl über analytische, numerische als auch experimentelle Verfahren erreicht werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird der analytische Ansatz über die Einführung eines Repräsentativen Volumenelements ermöglicht, dessen linear elastisches Verhalten auf eine übergeordnete, globale Hierarchieebene übertragen wird. Numerische Untersuchungen an diesem Volumenelement bestätigen die analytischen Ergebnisse und erlauben einen Einblick in das Verhalten bei Überschreiten der Elastizitätsgrenze. Über einachsige Zugversuche gelingt die experimentelle Erfassung des globalen, plastischen Materialverhaltens bis zum sukzessiven Versagen des Ringgeflechts. Die derart gewonnenen Kenntnisse über das globale Strukturverhalten fließen abschließend in die Untersuchung von Anwendungsbeispielen flächiger Ringgeflechte ein und werden über Vergleichsmessungen validiert. N2 - In a multitude of applications, metallic chain mail is utilised for body protection against hits, stitches and cuts. Hereby the area of application has changed from an originally military use into areas of work safety, architecture and fashion industry. The present document is intended to support the basic understanding to generally describe metallic chain mail by a representative model allowing to analytically evaluate the system behaviour within a specific application. The therefore required global material properties are translated from the inhomogeneous built-up of the chain mail into a simplified mechanical description. Such homogenisation can be achieved by analytical, numerical as well as experimental methods. Within the described investigations the analytical approach is achieved by definition of a representative unit cell and the translation of its local linear elastic behaviour into a global level. Numerical investigations validate the analytical approach and allow an outlook beyond the elastic region. By unidirectional tensile tests the global material behaviour is determined up to the successive failure of the chain mail. The derived knowledge on the global structural behaviour is finally inserted into the investigation of application examples and validated by comparative measurements. KW - Geflecht KW - Metall KW - Ringgeflecht KW - Materialgesetz KW - Einheitszelle KW - Torus KW - orthotrope Membran KW - Chain mail KW - Material law KW - Unit cell KW - Torus KW - Orthotropic membrane Y1 - 2009 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-10148 SN - 978-3-89959-901-5 ER -