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

Internationale wissenschaftliche Beiträge in Fachzeitschriften, begutachtet

  • 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

Internationale Konferenzbeiträge, begutachtet

  • Hauptmann, T.; Meinzer, C. E.; Seume, J. R. (2018): Experimental Validation of Forced Response Methods in a Multi-Stage Axial TurbineProceedings of the ASME Turbo Expo 2018, 11-15 June 2018, Oslo, Norway, GT2018-75390
  • Hauptmann, T.; Seume, J. R. (2018): Blade Vibration Measurements in a Multi-Stage Axial Turbine with Geometric Variations2018 AIAA/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference, AIAA SciTech Forum, 8-12 January 2018, Kissimmee, Florida, USA, AIAA 2018-0952
    DOI: 10.2514/6.2018-0952
  • Hauptmann, T.; Seume J.R. (2016): Aerodynamic Excitation for Variable Tip GapIn: Proceedings of ASME Turbo Expo 2016: Turbomachinery Technical Conference & Exposition
  • Schwerdt, L.; Hauptmann, T.; Kunin, A.; Wallaschek, J.; Wriggers, P.; Panning-von Scheidt, L. et al. (2016): Aerodynamical and Strucutral Analysis of Operationally used Turbine BladesIn: 5th International Conference on Through-life Engineering Services, Cranfield, England
  • Aschenbruck, J.; Hauptmann, T.; Seume, J. R. (2015): Influence of a Multi-Hole Pressure Probe on the Flow Field in Axial-TurbinesEuropean Turbomachinery Conference ETC11. Madrid
  • Hauptmann, T.; Aschenbruck, J.; Seume, J. R. (2015): Forced Response Excitation due to Variances in a Multi-Stage Axial TurbineProceedings of International Gas Turbine Congress 2015, Tokyo, Japan
  • Aschenbruck, J.; Adamczuk, R.; Seume, J. R. (2014): Recent Progress in Turbine Blade and Compressor Blisk Regeneration3rd International Conference on Through-life Engineering Services; Session: Recent Progress in Jet-Engine Regeneration, Bd. 22. Cranfield, England, S. 256–262
    DOI: 10.1016/j.procir.2014.07.016
  • Aschenbruck, J.; Seume, J. R. (2014): Experimentally Verified Study of Regeneration-Induced Forced Response in Axial TurbinesProceedings of the ASME Turbo Expo 2014, S. GT2014-25664
  • Pohle, L.; Panning-von Scheidt, L.; Wallaschek, J.; Aschenbruck, J.; Seume, J. R. (2014): Dynamic Behavior of a Mistuned Air Turbine: Comparison Between Simulations and MeasurementsProceedings of ASME Turbo Expo 2014: Turbine Technical Conference and Exposition. Düsseldorf, Germany, S. V07BT33A015
    DOI: 10.1115/GT2014-26025
  • Aschenbruck, J.; Meinzer, C.; Pohle, L.; Panning-von Scheidt, L.; Seume, J. R. (2013): Regeneration-Induced Forced Response in Axial TurbinesASME Turbo Expo 2013Turbine Technical Conference and Exposition, June 3-7, 2013, San Antonio, Texas, USA. San Antonio, Texas, USA, S. V07BT33A010
    DOI: 10.1115/GT2013-95431
  • Aschenbruck, J.; Meinzer, C.; Seume, J. R. (2013): Influence of Regeneration-Induced Variances of Stator Vanes on the Vibration Behavior of Rotor Blades in Axial Turbines10th European Conference on Turbomachinery. Lappeenranta, Finland, S. 235–247

Internationale Konferenzbeiträge, nicht begutachtet

  • Ernst, B.; Seume, J. R.; Herbst, F. (2016): Probabilistic CFD-Analysis of Regeneration-Induced Geometry Variances in a Low-Pressure TurbineIn: 52nd AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, Propulsion and Energy Forum, Salt Lake City, Utah, USA, S. AIAA 2016--4555.
  • Hauptmann, T.; Aschenbruck, J.; Christ, P.; Hennecke, C.; Dinkelacker, F.; Seume, J. R. (2015): Influence of Combustion Chamber Defects on the Forced Response Behavior of Turbine Blades. Proceedings of the 14th International Symposium on Unsteady Aerodynamics, Aeroacoustics & Aeroelasticity of Turbomachines, ISUAAAT14, 8-11 September 2015, Stockholm, Schweden, S. 9

Nationale wissenschaftliche Beiträge in Fachzeitschriften, nicht begutachtet

  • Hohenstein, S.; Aschenbruck, J.; Seume, J. R. (2013): Einfluss betriebs- und regenerationsbedingter Varianzen von TurbinenschaufelnInternational Journal for Electricity and Heat Generation VGB PowerTech 2013 (11), S. 51–58

Nationale Konferenzbeiträge, nicht begutachtet

  • Aschenbruck, J.; Meinzer, C.; Seume, J. R. (2014): Regenerationsbedingte Nachlauferregung in AxialturbinenInstationäre Aerodynamik und Aeroelastik in Turbomaschinen. Institut für Energietechnik, Ruhr-Universität Bochum. Bochum, 05.03.2014
  • Aschenbruck, J.; Weidlich, N.; Herde, F.; Seume, J. R. (2011): Nachhaltige Regeneration von FlugzeugtriebwerkenDLRK 2011 in der Session Innovation aus Niedersachsen Leichtbau und Triebwerktechnik. German Society for Aeronautics and Astronautics. Bremen, 01.01.2011
Alle Veröffentlichungen des Sonderforschungsbereiches

TEILPROJEKTLEITER

Prof. Dr.-Ing. Jörg Seume
Adresse
An der Universität 1
30823 Garbsen, Raum 315
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An der Universität 1
30823 Garbsen, Raum 315

MITARBEITER

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