Schwingungsanregungs- und -messsystem für Turbinenschaufeln im Stand- und Rotationsversuch
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das beantragte und beschaffte Großgerät wurde in erster Linie in Forschungsvorhaben verwendet, in denen die Strukturdynamik zyklischer Strukturen wie Laufbeschaufelungen von Turbomaschinen im Stand- und Rotationsversuch untersucht werden soll. Zu den relevanten Vorhaben zählen insbesondere öffentlich geförderte Projekte im Rahmen der Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen (FVV) und der AG Turbo (Förderung durch BMWi). Wesentliche Beiträge hat das Großgerät im Vorhaben „Transiente Schaufeldynamik“ geleistet. Hierbei stehen die stetig wachsenden Anforderungen an den instationären Betrieb von Turbomaschinen und der flexible Betrieb außerhalb des Auslegungspunktes im Vordergrund. Das Vorhaben wird derzeit fortgesetzt in dem FVV-Projekt „Transiente Schaufeldynamik II“. Die bisherigen Erkenntnisse zur Dynamik rotierender Laufschaufeln (etwa die Wirksamkeit nichtlinearer Koppelelemente und der Einfluss der Schaufelverstimmung) beschränkt sich nahezu ausschließlich auf einen stationären Betriebspunkt. Die Einspeisung regenerativer Energien, verbunden mit ihrer schwankenden Volatilität, hat den Schwerpunkt aber deutlich zu transienten Vorgängen verschoben. Neben sehr aufwändigen Experimenten mit rotierenden Strukturen sind experimentelle Untersuchungen stehender zyklischer Strukturen mit einer instationären umlaufenden Anregung eine vergleichsweise kostengünstige Alternative. Die Realisierung der Anregung mit einer instationär umlaufenden Welle mit Hilfe eines Lautsprechersystems und die Messung mit Hilfe der berührungslosen dreidimensionalen Laservibrometrie hat sich hierbei als hervorragend geeignet herausgestellt. Die Experimente mündeten insbesondere in den erstmals beobachteten so genannten TAMS-Effekt (Transient Amplitude Amplification of Mistuned Structures), einer Erhöhung der Schwingungsamplitude verstimmter Schaufelkränze beim transienten Resonanzdurchgang im Vergleich zum stationären, eingeschwungenen Zustand in Resonanz. Weitere Anwendung hat die 3D-Laservibrometrie in der experimentellen Untersuchung von deckbandgekoppelten Turbinenschaufeln im Vorhaben „Analyse des Schwingungsverhaltens unterschiedlich gekoppelter drehzahlvariabler Turbinenschaufeln“ gefunden. Hierbei hat sich der enorme Vorteil der berührungslosen dreidimensionalen Abtastung der Struktur gezeigt, der sehr anschaulich einen qualitativen und quantitativen Gesamteindruck der Schwingformen vermittelt. Insbesondere die räumliche Änderung der Schwingform kann so im Experiment erfasst werden, was bei einer Variation der Koppelbedingungen im Deckband relevant ist. Erwähnenswert sind Synergieeffekte, die sich in der Nutzung u.a. der 3D-Scanning-Vibrometrie ergeben haben. So lässt sich die aufwändige, aber aufschlussreiche Messtechnik auch auf andere Anwendungsgebiete übertragen und dort erfolgreich einsetzen. Die Aufstellung der Forschungsprojekte belegt, dass die Möglichkeit der berührungslosen Erfassung des räumlichen Schwingungsverhaltens in einer Reihe von experimentellen Untersuchungen neue Einblicke und Erkenntnisse über die Dynamik von technischen Bauteilen ermöglicht, etwa im Bereich der Piezo- und Ultraschalltechnik. Beispiele hierfür sind der piezoelektrische Wanderwellentransport für eine flexible Zuführung von Kleinteilen (AiF), die ultraschallunterstützte Gesteinszerspanung (DFG) und die Prozessinteraktion bei hochfrequent schwingenden Werkzeugen zur Bodenbearbeitung (DFG). Das beschaffte Großgerät zeichnet sich somit durch eine große Vielfalt verschiedener Anwendungsmöglichkeiten aus, die die interdisziplinäre Behandlung wissenschaftlicher Fragestellungen an der Forschungsstelle erheblich gefördert hat.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Kleinteileförderung mit einem ultraschallbasierten Wanderwellentransportsystem. Fachtagung Mechatronik (VDI/VDE), Dortmund, 2015. ISBN-978-3-00-048814-6
Wielert, T.; Twiefel, J.; Mezan, I.; Bott, K.
- The Vibrational Behavior of Coupled Bladed Disks with Variable Rotational Speed. Proc. Appl. Math. Mech., 15: 255–256
Kaptan, F.; Panning-von Scheidt, L.; Wallaschek, J.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/pamm.201510118) - Transient Amplitude Amplification of Mistuned Blisks. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. Nov. 2015, Vol. 137 / 112502-1
Bonhage, M.; Pohle, L.; Panning-von Scheidt, L.; Wallaschek, J.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jsv.2018.07.031)
