Experimentelle und numerische Untersuchung des Schwingungsverhaltens gekoppelter Schaufelverbände

Turbinenschaufeln in Turbomaschinen sind mechanisch hochbelastete Bauteile, die im Betrieb zu Schwingungen angeregt werden können. Eine etablierte Methode zur Reduktion der Schwingungsamplituden stellt hierbei die Schaufelkopplung über geteilte Deckbänder dar. Die Kontakteigenschaften und somit auch die Dämpfungswirkung hängt maßgeblich von a) dem im Auslegungsprozess gewählten Deckbandübermaß und b) dem aktuellen Betriebspunkt ab, siehe Abbildung 1. In diesem Projekt werden die Dämpfungseigenschaften von Turbinenschaufeln mit Deckbandkopplung experimentell und numerisch untersucht. Hierbei wird für eine effiziente nichtlineare Berechnung der Modellierungsansatz mit einer betriebspunktvariablen Reduktionsbasis weiterentwickelt. Im Rotationsprüfstand ROT2 des IDS werden zur experimentellen Validierung der entwickelten Berechnungsprogramme Versuche bei verschiedenen Betriebsdrehzahlen durchgeführt, siehe Abbildung 2.

Zur Schwingungsanregung werden äquidistant verteilte Permanentmagnete eingesetzt, wobei das Erregerkraftniveau über den axialen Abstand zwischen der Beschaufelung und den Magnetköpfen eingestellt werden kann. Für die Schwingungsmessung werden Dehnungsmessstreifen verwendet, deren Signale über eine Messplatine gefiltert und vorverstärkt werden bevor sie mittels eines Schleifringübertragers in das stehende Messsystem übermittelt werden. Eine Anregung der gleichen Schwingungsmode wird durch eine Variation der Erregerordnung und Verwendung höherharmonischer Erregerkraftanteile erzielt. In Abbildung 3 sind die Ergebnisse aus der ersten Messkampagne sowie die zugehörigen Simulationsergebnisse dargestellt. In beiden Graphen ist der Einfluss der Betriebsdrehzahl auf die Eigenfrequenz sowie die Dämpfungseigenschaften eindeutig erkennbar. Beim Betriebspunkt mit höherer Drehzahl ist sowohl im Experiment als auch in der Simulation eine Verringerung der Eigenfrequenz sowie eine Reduktion der Schwingungsamplitude zu verzeichnen. Dieses Verhalten resultiert aus den unterschiedlichen Kontaktvorspannungen des nichtlinearen Reibkontaktes am Deckband. Bei erhöhter Drehzahl findet eine Dehnung der Schaufel in radialer Richtung statt wodurch eine Veränderung der Kontaktfläche und -kräfte resultiert. In der Simulation konnte neben einen qualitativen Abgleich insbesondere die Frequenzverschiebung auch quantitativ gut abgebildet werden. Die Variation des Deckbandübermaßes wird durch ein Abschleifen der Deckbandkontakte an den einzelnen Schaufeln nach erfolgreicher erster Messkampagne erzielt und die Versuche bei den verschiedenen Betriebsdrehzahlen wiederholt.