Teilprojekt C4 Aeroelastik von Turbinenschaufeln

Das Teilprojekt C4 untersucht den Einfluss regenerationsbedingter, geometrischer Abweichungen von Turbinenschaufeln auf die aeroelastischen Eigenschaften stromabwärts gelegener Turbinenschaufeln. Dabei liegt ein Fokus auf der Untersuchung kombiniert auftretender geometrischer Abweichungen, die mittels probabilistischer Ansätze analysiert werden. Ziel ist die Ableitung von Toleranzbändern, die im Regenerationsprozess Verwendung finden.   Außerdem liegt ein weiterer Fokus auf verschleiß- und regenerationsbedingten Störungen aus stromauf gelegenen Modulen des Gesamttriebwerks, die sich als thermische Strähnen durch die Turbine ausbreiten. Das Ausmischungsverhalten und ihr Potential Schaufelschwingungen zu verursachen wird erforscht.

MOTIVATION UND ZIELSETZUNG

5-stufige Konfiguration des Axialturbinenprüfstands am Institut für Turbomaschinen und Fluid-Dynamik

Durch den Betrieb und den Instandhaltungsprozess von Flugtriebwerken kommt es zu Abweichungen von der Schaufel-Originalgeometrie. Als Beispielparameter seien die Dickenverteilung, die Schaufellänge und der Staffelungswinkel genannt. Diese Geometrieparameter können einen Einfluss auf die Schwingungsanregung stromab gelegener Rotorkaskaden haben und wurden bisher einzeln untersucht. In der Realität treten solche Abweichungen jedoch kombiniert auf. Um dies in einem Modell abzubilden, werden auf Basis der Wahrscheinlichkeitsrechnung Geometrien erzeugt und aeroelastische Simulationen durchgeführt. Die Ergebnisse ermöglichen anschließend die Ableitung von Schaufel-Toleranzbändern. Mit Hilfe dieser lässt sich sicherstellen, dass keine kritischen Schwingungszustände durch den Regenerationsprozess auftreten können. 

Hochdruckturbinenschaufeln sind aufgrund der vorgelagerten Brennkammer enormen thermischen Belastungen ausgesetzt. Daher müssen die ersten Turbinenstufen gekühlt werden. Dies geschieht mit Hilfe von Luft, die aus dem Verdichter abgezapft und über Bohrungen auf die Schaufeloberfläche geleitet wird. Die hohen thermischen und aerodynamischen Belastungen verursachen starken Verschleiß an Filmkühlbohrungen, Hinterkanten und Dichtungen. Als Folge können sich kalte Strähnen stromabwärts durch die Turbine ausbreiten und nachfolgende Rotorkaskaden in Schwingungen versetzen, welche die Lebensdauer der Schaufeln massiv verkürzen können. Diese Form der Schwingungsanregung wird an der Luftturbine des TFD erforscht, indem mittels Sonden kalte Strähnen in die Strömung injiziert werden und die resultierenden Schwingungsamplituden mit einem Tip-Timing System gemessen werden.

ERGEBNISSE

Es konnte anhand von Flugtriebwerk Turbinen-Leitschaufeln gezeigt werden, dass regenerationsbedingte Abweichungen von der Originalgeometrie einen erheblichen Einfluss auf die aerodynamische Schwingungsanregung der nachfolgenden Laufschaufelreihen haben. Eine Veränderung des Staffelungswinkels hat beispielsweise einen signifikanten Einfluss auf die Schwingungsanregung der stromabwärts gelegenen Rotorkaskade zur Folge. Die sich einstellenden Schwingungsamplituden vervierfachen sich im Vergleich zur Originalbeschaufelung.

Beispiel für Schaufelverschleiß: Abbrand an Schaufelvorderkanten, Ursprung thermischer Strähnen

AKTUELLE ARBEITEN UND AUSBLICK

Aktuell wird das berechnete Ausmischungsverhalten kalter Strähnen analysiert und geeignete Messstellen für die späteren Versuche abgeleitet. Mittels der Versuche werden die numerischen Ergebnisse validiert. Die Teilprojekte A3 (Abgasanalyse) und A6 (Ausmischung und Brennersignatur) werden mit den Informationen beliefert. Außerdem wird eine Werkzeugkette zur Untersuchung kombinierter Parametervarianzen aufgebaut. Die Ergebnisse tragen zur Auswahl eines geeigneten Regenerationspfades im Gesamtprojekt bei.


VERÖFFENTLICHUNGEN

  • Hauptmann, T.; Aschenbruck, J.; Seume, J. R. (2017) Forced Response Excitation due to Stagger Angle Variation in a Multi-Stage Axial TurbineInternational Journal of Gas Turbine, Propulsion and Power Systems Volume 9 (Number 3), 1--11
  • Aschenbruck, J.; Seume, J. R. (2015) Experimentally Verified Study of Regeneration-Induced Forced Response in Axial TurbinesJournal of Turbomachinery 137 (3), S. 1–10
    DOI: 10.1115/1.4028350
Alle Veröffentlichungen des Sonderforschungsbereiches

TEILPROJEKTLEITER

Prof. Dr.-Ing. Jörg Seume
Adresse
Appelstraße 9
30167 Hannover
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30167 Hannover

MITARBEITER

Dipl.-Ing. Dominic Schmolke
Adresse
Appelstraße 9
30167 Hannover
Gebäude
Raum
004
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