Vorhersage strömungsinduzierter Turbinenschaufelschwingungen und Beeinflussung dieser durch Maßnahmen am Turbinengehäuse

Abstract

Die vorliegende Forschungsarbeit befasst sich mit der Beeinflussung von aerodynamisch induzierten resonanten Turbinenschaufelschwingungen an der Radialturbine eines Abgasturboladers. Die Anregung der Schaufelschwingungen ist auf die Asymmetrie des turbineneintrittseitigen Strömungsfeldes zurückzuführen, welche im Fall der untersuchten leitgitterlosen doppelflutigen Spiralgeometrie hauptsächlich durch die Gehäusezungen verursacht wird. Kennzeichnend für die Anregung sind niedrige drehzahlsynchrone Erregerordnungen, welche im vorliegenden Falle durch Resonanzanregung der ersten Schaufelbiegemode zu hohen Schwingungsbelastungen führen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, unterschiedliche Maßnahmen zu erarbeiten, die zur Reduzierung der Schwingungsbelastung eingesetzt werden können. Hierfür wird in einem ersten Schritt eine Simulationsmethodik erarbeitet, welche das Anregungsfeld mit Hilfe instationärer Strömungsfeldberechnungen ermittelt. Das für die Schwingungsanregung benötigte modale Strukturverhalten wird mittels FE-Simulation bestimmt. Als Bewertungskriterium für die Intensität der Schwingungsanregung wird die als generalisierte Kraft bezeichnete Berechnungsgröße verwendet, welche nach einer Validierung mittels Messdaten als relatives Maß für die Schwingungsamplitude verwendet werden kann. Die Arbeit ist unterteilt in zwei thematische Schwerpunkte, wobei sich der erste Teil mit der Beeinflussung der Schaufelschwingungen durch die Gehäusegeometrie, insbesondere des sogenannten Zungenbereichs befasst. Hierbei kann gezeigt werden, dass durch den Versatz der beiden Gehäusezungen in Umfangsrichtung die Schaufelschwingungen effektiver reduziert werden können als durch die Vergrößerung des Zungenabstandes zum Rotor. Durch eine optimale Nutzung des Zungenversatzes von 30 kann die Schwingungsamplitude experimentell um 75% reduziert werden, was sich mit der Vorhersage der Berechnung deckt. Der Turbinenwirkungsgrad bleibt beim Vergleich mit dem Basisdesign auf gleichem Niveau. Im zweiten Themenschwerpunkt werden Turbinengehäusemaßnahmen untersucht, mit welchen das Strömungsfeld lokal verändert werden kann, um das Schaufelschwingungsverhalten zu reduzieren, ohne die eintrittsseitige Gehäusegeometrie zu verändern. Mehrheitlich werden hierbei aktive Zusatzmaßnahmen in Form einer Einblasdüse (?1,5mm) untersucht, welche am Turbinenaustritt einen Sekundärmassenstrom in den Laufschaufelbereich injiziert, der etwa 0,5% des Hauptpassagenstroms entspricht. Mit Hilfe dieses Konzeptes kann eine Schwingungsreduzierung um bis zu 70% erreicht werden wobei kein messbarer Einfluss auf den Wirkungsgrad festgestellt wird. Das Simulationsmodell kann hierbei für die Identifikation der besten Anordnung verwendet werden. Neben der Reduktion kann mittels aktiver Maßnahmen ebenfalls eine kontrollierte Erhöhung der Schwingungsamplituden erreicht werden, was für Untersuchungen der Betriebsfestigkeit eingesetzt werden kann. In einem letzten Schritt werden passive Zusatzmaßnahmen untersucht, welche in Form von Kavitäten in der Turbinengehäusewandung dargestellt sind. Experimentelle Untersuchungen von insgesamt 14 verschiedenen Maßnahmen zeigen ein Reduktionspotenzial von bis zu 50% bei einer zu vernachlässigenden Wirkungsgradreduktion von unter 0,3 %. Im Rahmen der Arbeit kann gezeigt werden, dass eine zuverlässige Berechnung von Schaufelschwingungen möglich ist. Durch die aufgezeigte Möglichkeit Schaufelschwingungen gezielt zu beeinflussen, entstehen neue Wege zur Optimierung von Turbomaschinen.