Charakterisierung der Reibdämpfung bei Turbinenschaufeln

Die Anwendung von Reibdämpfung von Turbinenschaufeln sind ein probates Mittel, um die Schwingungsamplituden der Schaufeln und damit die in den Schaufeln auftretenden Spannungen zu reduzieren. Dadurch kann die Lebens- dauer von Turbinenschaufeln erheblich verlängert werden. Hierbei werden benachbarte Schaufeln durch Dämpfungsstrukturen miteinander gekoppelt. Zu diesen zählen Unterplattformdämpfer und Deckbänder. Die grundsätzlichen Effekte der Reibdämpfung auf die Dynamik von Turbinenschaufeln sind mittlerweile gut verstanden. Da experimentelle Tests von großen beschaufelten Turbinenscheiben erhebliche Kosten verursachen, sollen die auftretenden Effekte möglichst genau durch Simulationen vorhergesagt werden. Da die Reibdämpfung nichtlinear von der Schaufeldynamik abhängt, sind spezielle numerische Algorithmen nötig, um die Bewegungsgleichungen effizient zu lösen. Hierzu wird die Bewegungsgleichung grundsätzlich im Frequenzbereich gelöst, wohingegen zur Berechnung der Reibkraft in den Zeitbereich gewechselt wird (Alternating-Frequency-Time-Method). Dies wird mit der Entwicklung der Bewegungsgleichung nach harmonischen Termen kombiniert (Harmonic-Balance-Method) wodurch ein akzeptables Maß an Simulationsaufwand erreicht wird. Ein besonderer Fokus dieses Forschungsprojekts liegt auf der Wahl und Parametrierung der Modelle, die die auftretenden Reibkräfte nachbilden sollen. Die Eigenschaften eines Reibkontakts hängen von einer Vielzahl von Parametern ab. Einige wichtige umfassen die Oberflächenbeschaffenheit und Materialeigenschaften der Reibpartner. Diese Vielzahl von Einflüssen muss möglichst elegant und umfassend auf ein Modell reduziert werden. Gleichzeitig muss das Reibmodell anwendbar sein, das heißt, die zu bestimmenden Parameter müssen robust gegenüber Umwelteinflüssen und auch praktisch einfach zugänglich sein, insbesondere im industriellen Umfeld. Hierzu wird ein Verfahren entwickelt, dass das Kontaktverhalten dimensionslos, d.h. weitestgehend unabhängig von der physikalischen Ausprägung, beschreibt. Das Ziel ist, Reibkontakte in Turbinenschaufeln mittels weniger, aber gleichzeitig umfassender Parameter zu beschreiben. Es sollen viele verschiedene physikalische Kontaktzustände auf wenige dimensionslose Zustände reduziert werden.