EisenerZ - Einfluß von Zuström-Inhomogenitäten auf die Schwingungsanregung einer NDT moderner Zweikreistriebwerke

Bislang werden bei Messungen von Triebwerksstufen an Prüfständen perfekte periodische Eintrittszustände in Umfangsrichtung realisiert. Dies war bzw. ist notwendig um allgemeine Schlüsse ziehen zu können, Meßzeit zu sparen und auch um einen Vergleich mit Simulationsergebnissen, die meist aus zeitlichen Gründen nur einen periodischen Sektor betrachten, zu ermöglichen. Allerdings wird man in einem realen Triebwerk unter realen Betriebsbedingungen diese perfekten periodischen Zuströmbedingungen nicht vorfinden, d.h. es wird zu Variationen der Zuströmung am Eintritt kommen. Meist sind dies Totaldruck- und/oder Totaltemperaturvariationen die von stromaufwärtsliegenden Komponenten hervorgerufen bzw. aufgeprägt werden. Z.B. kann die Temperatur über den Umfang nach der Brennkammer eines Triebwerks über den Umfang um 100°C bis 200°C variieren. Die nachfolgende Stufe wird durch diesen Temperaturunterschied und den daraus resultierenden Dichteunterschied zu Schwingungen angeregt. Ähnliches gilt auch für den Totaldruck. Hier können z.B. Stützrippen im Turbinenzwischengehäuse unterschiedliche Nachläufe aufweisen, unterschiedliche Druckverteilungen aufgrund von Ablösungen sich ergeben usw. Die nachfolgende Niederdruckturbinenstufe wird dadurch zu Schwingungen angeregt. Dies gilt um so mehr je kürzer man versucht die Triebwerkskomponenten zu bauen, um Gewicht und damit Treibstoff einzusparen, womit man eine signifikante Reduktion des Schadstoffausstoßes erreichen kann. Somit geht - kurz gesagt - eine Verbesserung für die Umwelt oft mit einer Verschlechterung der Schwingungssituation der Triebwerkskomponenten einher, die man aber durch die Ergebnisse qualitativ hochwertiger Forschungsprojekte wie denen der TAKE Off Ausschreibungen in den Griff bekommen kann. In diesem Projekt soll der Einfluß dieser Zuström-Inhomogenitäten auf die Schwingungsanregung eines Turbinenrotors systematisch experimentell und numerisch (Zwei-Wege-Fluid-Struktur-Interaktion) untersucht werden. Die Untersuchung dieses realen Effektes hebt dieses Vorhaben deutlich vom Stand der Technik ab. Die Herausforderung besteht für die Numerik darin, daß nicht nur ein periodisches Segment gerechnet werden kann sondern der gesamte Umfang von 360° modelliert und simuliert werden muß. Da diese Berechnungen erfahrungsgemäß sehr viel Zeit und Ressourcen beanspruchen, wird versucht parallel zu den Messungen und numerischen Simulationen ein eigenes einfach zu bedienendes Berechnungstool zu entwickeln, das die Stabilität des Systems in kurzer Zeit zu berechnen erlaubt. Dadurch soll es möglich sein dieses Tool schon früh in der Auslegungsphase der Niederdruckturbine einzusetzen.