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Numerische Analyse zur Anregbarkeit von Schaufelschwingungen in Radialturbinen mit Leitbeschaufelung

Numerische Analyse zur Anregbarkeit von Schaufelschwingungen in Radialturbinen mit Leitbeschaufelung
Autor:

Schwitzke, M.
Schulz, A.
Bauer, H.-J.

Quelle:

MTZ- Motortechnische Zeitschrift
Heft 06, Juni 2013, Page 504-512

Abstract

Rotorschaufeln in Radialturbinen sind instationären, aerodynamischen Kräften ausgesetzt. Diese sind die Ursache für die Anregung von Schaufelschwingungen, die zu dynamischen Belastungen und Schäden durch Materialermüdung führen können. In Turboladern werden Turbinen in einem weiten Drehzahlband betrieben, was zu einem breiten Spektrum von Anregungsfrequenzen führt. Daher können Resonanzen im Betrieb nicht vermieden werden, und eine Vielzahl von Schwingungsmoden wird angeregt. In Maschinen mit Leitschaufeln muss der Anregung besondere Beachtung geschenkt werden.
Die dargestellten Arbeiten konzentrieren sich auf die Wechselwirkungen zwischen den Leit- und Laufschaufeln. Bei Messungen mit unterschiedlichen Leitschaufelanzahlen wurden bereits Unterschiede bei den Amplituden der angeregten Moden deutlich. Durch numerische Analysen für neun Resonanzdrehzahlen kann das beobachtete Verhalten nachvollzogen werden. Das Schwingungsverhalten des Rotors wurde mit Hilfe der Methode der Finiten Elemente charakterisiert, und Berechnungen für das instationäre Strömungsfeld der Radialturbine wurden durchgeführt. Als Folge konnten drei Strömungsphänomene als Ursache für instationäre, aerodynamische Kräfte identifiziert werden. Die Kraftamplituden wurden für unterschiedliche Betriebszustände und Leitschaufelanzahlen bestimmt. Für weniger  Leitschaufeln zeigten die Rechnungen beträchtlich höhere Lastamplituden.
Der Vergleich der Anregungsfunktionen mit der lokalen Verformung der Schaufeln zeigt die Anregbarkeit der jeweiligen Moden auf.