Herr Dipl.-Ing. Ferhat Kaptan hat am Montag, den 17. Mai 2021, um 10.00 Uhr
seinen Promotionsvortrag mit dem Thema: „Dynamik gekoppelter Turbinenschaufeln bei Drehzahlvariabilität“ gehalten und die mündliche Prüfung erfolgreich bestanden.
Herzlichen Glückwunsch vom IDS lieber Ferhat!
Kurzfassung der Arbeit:
Dynamik gekoppelter Turbinenschaufeln bei Drehzahlvariabilität
Turbinenschaufeln sind thermisch sowie mechanisch hochbelastete Komponenten einer Turbomaschine. Im Betrieb von Gas- oder Dampfturbinen werden sie durch das strömende Fluid in Rotation versetzt, sodass die Energie des Fluids in mechanische Energie umgewandelt wird. Um Ausfälle infolge einer Ermüdung zu vermeiden, ist eine adäquate Vorhersage der im Betrieb auftretenden mechanischen Spannungen von großer Bedeutung. Dazu müssen bei der mechanischen Auslegung sowohl statische Belastungen, z. B. durch Zentrifugalkräfte, als auch hohe dynamische Kräfte, aufgrund von Druckschwankungen im Strömungskanal, berücksichtigt werden. Die im Betrieb entstehenden Kräfte hängen stark von der Drehzahl der Turbine ab, sodass sich bei einer Änderung der Drehzahl auch der Belastungszustand verändert. Eine große Herausforderung bei der mechanischen Auslegung von drehzahlvariablen Turbinenschaufeln ist daher, die Schwingungsamplituden über den gesamten Drehzahlbereich möglichst gering zu halten.
Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Berechnungsmethodik entwickelt, um das dynamische Verhalten von gekoppelten Turbinenschaufeln über einen weiten Drehzahlbereich vorherzusagen. Neben der Drehzahlabhängigkeit gewisser strukturmechanischer Eigenschaften, wie das stress stiffening, sind bei gekoppelten Schaufeln insbesondere die Kontaktspannungen in den Fügestellen von der Drehzahl abhängig. Das entwickelte Berechnungsprogramm basiert auf einem zyklischen finite Elemente (FE) Modell und ist über Schnittstellen mit kommerziellen FE-Programmen verbunden. Die stationäre Schwingungsantwort wird über die Harmonische Balance Methode (HBM) und einem alternierenden Frequenz-Zeit-Schema (AFT) berechnet. Mithilfe von Reduktionsmethoden lässt sich der Aufwand bei der Berechnung von realitätsnahen Beschaufelungen mit mehreren hunderttausend Freiheitsgraden erheblich reduzieren, sodass eine effiziente Berechnung von Schaufelschwingungen möglich ist.
Zur Validierung des Berechnungsprogramms werden sowohl Stand- als auch Rotationsversuche einer realitätsnahen Turbinenbeschaufelung herangezogen. Die Ergebnisse der Versuche am rotierenden System zeichnen sich dabei durch eine hervorragende Reproduzierbarkeit und eine hohe Genauigkeit aus. Der Vergleich zeigt qualitativ und z.T. quantitativ eine sehr gute Übereinstimmung der Ergebnisse. Insbesondere können die gemessenen drehzahlabhängigen sowie nichtlinearen Phänomene mit dem Simulationsmodell in hohem Maße abgebildet werden.
Schlagwörter: Turbinenschaufel, Deckband, Drehzahlvariabilität, Schwingungsanalyse
