Zwangserregte Schwingungen in Hochdruckturbinenstufen

Abstract

Da in Triebwerken feststehende Leitschaufelkränze in aerodynamischer Wechselwirkung mit rotierenden Laufschaufeln stehen, zeigen sich fortwährend in beiden zwangserregte Schwingungen. Die durch sie an den Schaufeln hervorgerufenen Wechselbelastungen dürfen ein bestimmtes Niveau nicht überschreiten, da sonst Schaufelbrüche durch Ermüdung des Materials auftreten können. Diese Art des Ausfalls von Triebwerken ist trotz regelmäßiger Wartung nur schwer völlig zu vermeiden. Unerwartete Ausfälle bedeuten ein Risiko für die Flugzeugsicherheit und einen großen Kostenfaktor. Heutzutage ist es unter Einsatz der besten Vorhersagemethoden und intensiver Messungen am fertigen Triebwerk noch nicht möglich, alle Schwingungsprobleme vorherzusagen. Daher haben sich die namhaften europäischen Triebwerkshersteller wie Rolls-Royce plc (GB), Snecma Moteurs (FR) entschlossen, zusammen mit europäischen Universitäten und dem DLR ein Experiment aufzubauen, das die Untersuchung von zwangserregten Schwingungen in einer Hochdruckturbinenstufe erlaubt. Innerhalb des unter dem Titel „Aeromechanical Design of Turbine Blades (ADTurB)“ geführten EU-Vorhabens wurde als Herzstück ein elastischer Rotor entworfen und gefertigt. Die Besonderheit des Rotors liegt in seinen realitätsnahen elastischen Eigenschaften. An diesem Rotor sollten sowohl intensive Strömungsfeldmessungen wie Messungen von Schwingungsantworten erfolgen. Gerade in dieser Kombination von Wissen um die Strömung und um die strukturdynamischen Antworten wurde bei der Konzeption des Experiments der Schlüssel zum Verständnis des Phänomens von zwangserregten Schwingungen gesehen. Mit der Datenbasis aus diesem Experiment sollen bestehende und zukünftige Vorhersagewerkzeuge validiert werden. Im Rahmen des Vortrags wird zunächst in die Problematik zwangserregter Schwingungen in Triebwerksstufen eingeführt. Im Blickpunkt werden dann unter Nutzung von bewegten Bildern die Darstellung und Erläuterung der gemessenen Auslenkungen sowie der instationären Drücke stehen. Darin enthalten ist ein mit heutigen Standardmethoden nicht vorhersagbares Ergebnis: Erregungen mit merklichen Amplituden finden sich auch bei Frequenzen in der Nachbarschaft zu Hauptanregungsfrequenzen.