Robustes Dämpferdesign für multiharmonische Anregungen bei flexiblem Betrieb

Durch die steigende Ausweitung der erneuerbaren Energiewandlung ist eine Flexibilisierung des zukünftigen und bestehenden Kraftwerksparks notwendig, da dieser an die volatile Natur der erneuerbaren Energieträger angepasst werden muss. Neben der Betriebs- und Brennstoffflexibilität werden in diesem Bereich nach wie vor höchste Wirkungsgrade der Anlagen und ihrer Komponenten gefordert. Bei den in diesem Projekt betrachteten Gasturbinen können durch eine demzufolge unvermeidliche Beaufschlagung mit Teillast oder die Verbrennung von Wasserstoff als zukünftiges Medium Schwingbelastungen der Turbinenschaufeln durch Frequenzspektren im Nachgang der Brenner auftreten, die deutlich breitbandiger sind. Dies beinhaltet ebenfalls die Gefahr zusätzlicher Anregungsmechanismen und -frequenzen, denen die der Brennkammer folgenden Laufschaufelreihen ausgesetzt sind. Gegen eine zu hohe Schwingbelastung der Turbinenschaufeln werden unter anderem Unterplattformdämpfer eingesetzt, die einen Teil der kinetischen Energie der Schwingung über Reibung dissipieren. Üblicherweise werden diese für einen Betriebspunkt und somit eine Schwingungsmode bzw. einen Knotendurchmesser optimiert. Ziel dieses Forschungsprojekts ist es daher, Designregeln für Reibelemente aufzustellen, die robust gegenüber so genannten Multiresonanzen sind, d.h. dass die in einem Betriebspunkt auftretenden Erregerkräfte gleichzeitig verschiedene Schwingungsmoden und/oder verschiedene Knotendurchmesser anregen.

Dafür wird eine bestehende Simulationsumgebung erweitert, mit deren Hilfe die Schwingungsamplituden von über Reibdämpfer gekoppelten Turbinenschaufeln prognostiziert werden können (vgl. Abbildung 1). Die präzise Prognose dieser nichtlinearen Schwingbelastung und damit der Lebensdauer einer Beschaufelung ist damit gleichermaßen angestrebt, wie eine experimentelle Validierung dieser Vorhersagen unter realitätsnahen Bedingungen unter Rotation.

Hierzu wird in diesem Projekt der Rotationsprüfstand (vgl. Abbildung 2) des Instituts um eine variable multiharmonische Anregung erweitert, sodass unterschiedliche Betriebspunkte und Kombinationen von Multiresonanzen untersucht werden können.