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Schaufelschwingungen realer integraler Verdichterräder im Hinblick auf Verstimmung und Lokalisation
(2007)
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.