Schaufelschwingung unter Berücksichtigung variabler Erregungen und geometrischer Verstimmung

Die rotierenden Laufschaufeln zählen in einer Turbomaschine zu den thermomechanisch am höchsten belasteten Bauteilen, daher ist Vorhersage ihres Schwingungsverhaltens von hoher Bedeutung. Im realen Betrieb führen die Verstimmungseffekte zu unterschiedlichen Schwingungsniveaus aller Schaufel einer Stufe, wodurch einzelne Schaufeln stärker belastet werden als andere. Gründe dafür liegen in den variierenden Struktureigenschaften aller Schaufeln aufgrund von Fertigungstoleranzen, Materialinhomogenitäten, betriebsbedingtem Verschleiß und variabler Erregungen aller Schaufeln. (Siehe Abbildung 1)

Die Verstimmung der Schaufeln ist in derzeitigen Berechnungsverfahren durch Varianz ihrer Eigenfrequenzen (Frequenzverstimmung) abgebildet, ohne die physikalischen Hintergründe zu berücksichtigen. In diesem Projekt wird die Frequenzverstimmung mit der Varianz gemessener Schaufelgeometrien, die durch geometrische Variablen (siehe Abbildung 1) repräsentiert werden, verknüpft.

Die Erregungsvariabilität lässt sich durch die sogenannte Tyler-Sofrin Modes (TSMs) erklären, welche ein mitrotierendes akustisches Druckfeld darstellen. Die TSMs bestehen sowohl aus mehreren Frequenzkomponenten als auch verschiedenen räumlichen Periodizitäten und führen zu nicht-identischen Anregungen der Schaufeln. Die stationäre Schwingungsantwort der Schaufeln im Hinblick auf nichtlineare Kopplungen werden mit Hilfe der Multiharmonischen Balance Methode (MHBM) berechnet. Die in diesem Projekt betrachteten nichtlinearen Phänomene sind z. B. die Reibung an verschiedenen Kontaktstellen wie Schaufelfuß, Unterplattform oder Deckband (siehe Abbildung 2 links). Die Reibdämpfungen werden eingesetzt, um die Schwingungsantwort der Schaufeln zu reduzieren (siehe Abbildung 2 rechts).