Grundlegende Untersuchungen zum Schwingungsverhalten von Verdichterlaufrädern in Integralbauweise
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Beschreibung
Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, einen Beitrag zum verbesserten Verständnis des komplexen Schwingungsverhaltes integraler Hochdruckverdichterlaufräder (Blisks = blade integrated disks) von Flugtriebwerken unter besonderer Berücksichtigung schaufelindividueller Verstimmungen (Mistuning), der Dehnmessstreifeninstrumentierung und des Umströmungseinflusses zu leisten. Die Betrachtungen sind auf die Untersuchung der für Ermüdungsversagen von Schaufeln relevanten erzwungenen Schwingungen fokussiert, die im Triebwerk durch Störungen des Strömungsfeldes infolge stromauf- und stromabwärts platzierter Statoren, aber auch benachbarter Stufen erregt werden. Basis der Herangehensweise ist zunächst die experimentelle Ermittlung des Mistunings am Beispiel von zwei Stufen des Technologieprogramms E3E-I im Sinne von schaufeldominierten Eigenfrequenzen mittels Anschlagversuchen. Hierbei wird zur Anwendbarkeit auch auf stark gekoppelte, also durch vergleichsweise große Scheibenbewegungen geprägte Laufräder eine neuartige Methodik vorgestellt, die eine gezielte Massenverstimmung aller Schaufeln mit Ausnahme der aktuell angeschlagenen vorsieht. Der numerische Teil der Arbeit stützt sich auf diskrete Feder-Masse-Dämpfer-Modelle einer Freiheitsgradanzahl entsprechend der doppelten Schaufelanzahl, deren Ableitung durch Finite Elemente Berechnungen und den experimentellen Ergebnissen der Anschlagversuche unterstützt wird. Mit Hilfe dieser als EBM (,Equivalent Blisk Model') bezeichneten ModelIierung gelingt im Nachgang über die Simulation der Anschlagversuche die Identifikation der tatsächlichen Schaufeleigenfrequenzen durch Modelladaption. Die Einfachheit der ModelIierung bedingt im Zuge der Berechnungen erzwungener Schwingungsantworten weniger die Angabe genauer Zahlenwerte, sondern begründet sich vielmehr mit einer zeitunkritischen Durchführbarkeit von Sensitivitätsanalysen im Hinblick auf Relativvergleiche und schließlich mit dem Nachweis des Auftretens laufradspezifischer Phänomene wie etwa kritischer, lokalisierter Schwingungsformen. Ergänzende Untersuchungen belegen eine nicht vernachlässigbare Wechselwirkung von DMS Instrumentierung und Schwingungsantwort und eine mögliche Zunahme von Schaufelverschiebungen infolge Unregelmäßigkeiten der aerodynamischen Erregung.
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