Analyse nichtlinearer aeroelastischer Wechselwirkungen bei erzwungenen Schwingungen gekoppelter Turbinenschaufeln

• Antragsteller: Dr. Christian Frey; Professor Dr.-Ing. Malte Krack
• Fachliche Zuordnung: Strömungs- und Kolbenmaschinen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 382141955

In der Auslegung moderner Niederdruckturbinen stellt die Flatterstabilität eine dominante Einschränkung dar. Ein wichtiger Grund dafür ist, dass die Gestaltoptimierung hier schlanke, verwundene Schaufeln mit kleinem Sehnen-zu-Längen-Verhältnis hervorgebracht hat, welche für ihre besondere Anfälligkeit gegenüber Flattern bekannt sind. Das Sättigungsverhalten von Flatterschwingungen wird durch struktur- und strömungsmechanische Nichtlinearitäten geprägt, insbesondere durch die Kontaktrandbedingungen in den Fügestellen sowie instationäre Strömungsphänomene mit Stößen und Ablösungen.Das Vorhaben widmet sich der Erweiterung des Verständnisses des Schaufelflatterns und zur Verbesserung der Vorhersagequalität von Flatterschwingungen.Die Hauptziele des Vorhabens sind es,(a) Methoden für die gekoppelte Simulation des stationären Flatterns sowie die Vorhersage der globalen aeroelastischen Stabilität zu entwickeln, und(b) die wesentlichen Auswirkungen nichtlinearer Wechselwirkungen zu verstehen.Es wird erstmals die Frage beantwortet, ob es Konfigurationen gibt, die zwar für hinreichend kleine Störungen um die Ruhelage nicht flattern, jedoch für etwas größere Störungen aufgrund nichtlinearer Effekte eine aeroelastische Anfachung erfahren (nichtlineare Instabilität/harte Erregung). Es sollen grundlegende Erkenntisse darüber gewonnen werden, wann die nichtlinearen Vorgänge in der jeweiligen physikalischen Domäne einen signifikanten Einfluss haben, und wann sie jeweils zum Enstehen und Begrenzen selbsterregter Schwingungen beitragen. Nur auf Basis dieser Erkenntnisse lassen sich vereinfachte Methoden der Flatteranalyse entwickeln und das Fehlerpotential bisheriger Vorgehensweisen abschätzen.Der Schwerpunkt des Vorhabens liegt auf dem Flattern von Niederdruckturbinenschaufeln. Die hauptsächlich betrachteten Nichtlinearitäten in der Strukturmechanik sind die Kontaktvorgänge in Deckbandfugen, in der Strömungsmechanik werden Ablösungen und Stöße unter transsonischen Bedingungen als Ursachen für stark instationäre und damit nichtlineare Effekte beleuchtet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen