Der Einfluss geometrischer Auslegungsparameter auf die Dynamik reibungsgedämpfter Turbinenschaufeln

Zusammenfassung

Gasturbinen sind im Betrieb hohen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt. Dabei steht insbesondere die hochzyklische Ermüdung (HCF) im Fokus, die durch selbst- oder fremderregte Schwingungen ausgelöst wird. Im kritischen Fall der Resonanz können die Schwingungsamplituden über gezielt eingebrachte Reibkontakte effektiv gemindert werden, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten.In dieser Arbeit werden die bisher nur äußerst begrenzt behandelten Zusammenhänge zwischen den geometrischen Auslegungsparametern einer Turbinenschaufel und dem Schwingungsverhalten unter Reibungsdämpfung systematisch untersucht. Dazu wird eine geeignete Parametrisierung entwickelt und ein bestehendes mechanisches Modell zur Beschreibung nichtlinearer Schwingungen entsprechend in eine umfassende Simulationsprozesskette eingebettet. Zusätzlich wird eine auf Ersatzmodellen und statistischer Versuchsplanung beruhende Analysestrategie entwickelt, mit der die Haupt- und Interaktionseffekte der Systemparameter auf eine Ausgangsgröße quantifiziert werden können. Diese wird jeweils für Schaufelgeometrien mit Stützflügel und Unterplattformdämpfer verwendet, um den Einfluss der geometrischen Auslegungsparameter auf die statische Flächenpressung im Reibkontakt, die Resonanzamplitude der ersten Biegeschwingung sowie die dynamischen Spannungen zu bestimmen. Gas turbines are subject to large thermal and mechanical loads during operation. Above all, design is focused on high-cycle fatigue (HCF) which is caused by self or force-excited vibrations. For the critical case of resonance, the resulting amplitudes can be lowered effectively by introducing friction joints. This work investigates the relations between geometric turbine design parameters and the vibrational behavior under friction damping, as this topic is yet to be addressed thoroughly. For this purpose, an appropriate parametrization is developed and a well-proven mechanical model for non-linear vibration is embedded into a complex simulation toolchain. In addition to that, an analytical strategy based on surrogate modeling and design-of-experiment methods is developed which is used to quantify the main and interaction effects of design parameters onto a variety of outputs. The developed approach is applied to a turbine blade coupled by a snubber contact and a blade with underplatform damper. Consequently, the influence of geometric design parameters onto the static contact force in the friction joint, the resonance amplitude of the first bending mode and the dynamic stresses are systematically outlined.

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Bibliographische Angaben

Copyrightjahr: 2021
ISBN-Online: 978-3-95900-540-1
Verlag: TEWISS, Garbsen
Reihe: Berichte aus dem IDS
Band: 01/2021
Sprache: Deutsch
Seiten: 188
Produkttyp: Monographie

Inhaltsverzeichnis

KapitelSeiten

1. Formelzeichen Kein Zugriff
2. Kurzfassung Kein Zugriff
3. Abstract Kein Zugriff
1 Einleitung Kein Zugriff Seiten 1 - 5
1. 2.1 Auslegungsverfahren Kein Zugriff
2. 1. 2.2.1 Schaufeln mit Stützflügel- oder Deckbandkopplung Kein Zugriff
  2. 2.2.2 Schaufeln mit Unterplattformdämpfer Kein Zugriff
3. 2.3 Aerodynamische Aspekte der Auslegung Kein Zugriff
1. 3.1 Beurteilung des Stands des Wissens Kein Zugriff
2. 3.2 Fragestellungen und Zielsetzung Kein Zugriff
3. 3.3 Vorgehen Kein Zugriff
1. 4.1 Modellierung reibungsgedämpfter Schwingungen in Turbomaschinen Kein Zugriff
2. 1. 4.2.1 Statistische Versuchsplanung Kein Zugriff
  2. 4.2.2 Ersatzmodelle Kein Zugriff
  3. 4.2.3 Optimierungsverfahren Kein Zugriff
1. 5.1 Parametrisierung Kein Zugriff
2. 1. 5.2.1 Parameterreduktion Kein Zugriff
  2. 5.2.2 Fall A: Endstufen-Schaufel mit Stützflügel Kein Zugriff
  3. 5.2.3 Fall B: Endstufen-Schaufel mit Unterplattformdämpfer Kein Zugriff
3. 5.3 Mechanisches Modell Kein Zugriff
4. 1. 5.4.1 Ermittlung der dynamischen Spannungen Kein Zugriff
  2. 5.4.2 Zulässige dynamische Spannung und HCF-Auslastung Kein Zugriff
5. 1. 5.5.1 Ablauf für Turbinenschaufel mit Stützflügel Kein Zugriff
  2. 5.5.2 Ablauf für Turbinenschaufel mit Unterplattformdämpfer Kein Zugriff
6. 5.6 Annahmen und Grenzen des Modells Kein Zugriff
1. 6.1 Quantifizierung des Einflusses eines Parameters Kein Zugriff
2. 6.2 Optimierungsansatz Kein Zugriff
1. 1. 7.1.1 Minimalmodelle zur Beschreibung der Entwindung Kein Zugriff
  2. 7.1.2 Quantifizierung der Effekte Kein Zugriff
  3. 7.1.3 Optimale Auslegung der Kontaktnormalkraft Kein Zugriff
2. 1. 7.2.1 Einfluss der Pressungsverteilung Kein Zugriff
  2. 7.2.2 Einfluss der Kontaktnormalkraft Kein Zugriff
  3. 7.2.3 Identifikation der Sekundäreffekte Kein Zugriff
  4. 7.2.4 Interaktionseffekte Kein Zugriff
  5. 7.2.5 Optimierung der performance curve Kein Zugriff
  6. 7.2.6 Einfluss der Erregerordnung Kein Zugriff
3. 1. 7.3.1 Einfluss der Resonanzamplitude Kein Zugriff
  2. 7.3.2 Optimierung der HCF-Auslastung Kein Zugriff
1. 8.1 Zusammenhang zwischen Resonanzamplitude und HCF-Auslastung Kein Zugriff
2. 8.2 Optimierung der performance curve und der HCF-Auslastung Kein Zugriff
3. 8.3 Einfluss der Erregerordnung Kein Zugriff
9 Diskussion und Beurteilung der Ergebnisse Kein Zugriff Seiten 156 - 162
10 Zusammenfassung und Ausblick Kein Zugriff Seiten 163 - 162
Anhang Kein Zugriff Seiten 163 - 164
A Geometrische Beschreibung einer Schaufelsektion Kein Zugriff Seiten 165 - 166
B Analytische Modelle zur Schaufelentwindung Kein Zugriff Seiten 167 - 171
Literaturverzeichnis Kein Zugriff Seiten 172 - 188