Aeromechanik

Fremderregte Schaufelschwingungen, welche unter Umständen zum Ermündungsbruch führen, werden in einer Turboladerturbine numerisch untersucht. Im Mittelpunkt liegen die auftretenden instationären Fluidkräfte, welche die Struktur anregen. Diese werden mittels detailaufgelöster 3D-Strömungssimulationen numerisch berechnet und deren Interaktion mit den Schaufeln untersucht. Hierbei kommen Standardmodelle wie URANS-Simulationen sowie neuartige Ansätze wie die frequenzbasierte NLH (NonLinear Harmonic)-Methode zum Einsatz und werden umfangreich mit Messdaten validiert.

In Kraftwerken und Flugzeugtriebwerken kommen meist Verdichter axialer Bauweise zum Einsatz. Auch hier ist die Untersuchung der Schaufelschwingungen essenziell für den sicheren Betrieb der ganzen Turbomaschine. Verschiedene Bauteile im Strömungskanal, wie beispielsweise benachbarte Statorreihen, erzeugen Schwankungen im Druckfeld der Strömung. Diese können Schwingungen in den Rotoren anregen, bei geringer Gesamtdämpfung des Rotors kann das zum Versagen des Bauteils führen.
Zur Erfoschung der aerodynamischen Dämpfung und für die Weiterentwicklung  numerischer Vorhersagemethoden wurde am ITSM der ACTIVE (Axial Compressor Test Rig for the Investigation of Blisk Vibrations with an Active Excitation System) Prüfstand entwickelt. Hier wird der Rotor mit Hilfe von Elektromagneten gezielt zu Schwingungen angeregt. Laser-basierte Blade-Tip-Timing (BTT) Sensoren ermöglichen dann eine hochqualitative Dämpfungsbestimmung.

In den Endstufen von Dampfturbinen wird extrem viel Leistung umgesetzt. Dabei sind die Rotorschaufeln von besonderen Bedingungen ausgesetzt. Durch die Entspannung zu sehr niedrigen Drücken kann es zur Entstehung von Wassertropfen kommen. Zusätzlich müssen die Schaufeln aufgrund der extremen Dichteabnahme sehr lang sein, meistens über 1 Meter. Die Kombination von hohen Strömungsgeschwindigkeiten und langen, dünnen Schaufeln macht die Beschaufelungen daher anfällig für das Auftreten von Schaufelflattern. Ein Kernaspekt bei der Vorhersage dieser Flatterphänomene stellt die Bestimmung der aerodynamischen Dämpfung mit Hilfe von numerischen Werkzeugen dar. Durch instationäre Strömungssimulationen mit Berücksichtigung von Fluid-Struktur-Interaktion wird dabei die Dämpfung für die niederfrequenten ersten Eigenmoden der Schaufel bestimmt.

In den letzten Stufen von Dampfturbinen kommt es durch die Expansion in das Zweiphasengebiet zur Entstehung von Wassertropfen innerhalb der Strömung. Dieser Kondensationsprozess verändert durch die Abgabe von Wärme den Entspannungsverlauf. Was wiederum einen Einfluss auf die aerodynamische Dämpfung und somit das Flatterverhalten von Rotorschaufeln in Dampfturbinen-Endstufen hat. Dabei wird die Auswirkung von Tropfengröße und -anzahl auf die Dämpfung durch den Einsatz von aufwendigen Nassdampfmodellen mittels CFD-Simulationen detailliert untersucht.