Brite-Euram Projekt ADTurBII (Aeroelastic Design of Turbine Blades)



3D-Ansicht der ADTurB-Stufe
(70 Statorschaufeln)
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Flexible Rotorschaufel mit Fuß
Im Kontext des Framework 5 der EU-Forschung war das Brite-Euram-Projekt "ADTurBII" ein 4-Jahres-Projekt zur Erzeugung experimenteller Daten, um Auslegungs- und Analysewerkzeuge für Schaufelschwingungen in Turbinenrädern zu validieren. Das ADTurB-II-Projekt war direkt verknüpft mit Belangen der Sicherheit und der Zuverlässigkeit, da hierin das Ermüdungsproblem von Turbinenschaufeln ("High Cycle Fatigue HCF") untersucht wird.

Informationen zur Intention des ADTurB-Projekts und eine Beschreibung der einzelnen Arbeits-Pakete können folgender Webseite entnommen werden: http://www.energy.kth.se/adturb2/

In einer Gasturbinen-Hochdruckstufe haben Potentialeffekte, Verdichtungsstöße und Nachläufe der Statorschaufeln einen sehr starken Einfluß auf die Umströmung der nachfolgenden Rotorschaufeln. Die Wechselwirkung dieser Störungen mit dem relativen Strömungsfeld der bewegten (rotierenden) Rotorschaufeln erzeugt instationäre aerodynamische Effekte und aerodynamische Kräfte, welche zu erzwungenen Schwingungen der Rotorschaufeln führen. Unglücklicherweise lassen sich die durch die Schwingungen auftretenden Ermüdungserscheinungen in den Schaufelmaterialien bzw. Legierungen (z. B. Rissausbreitung bis hin zu Schaufelbrüchen) noch nicht in ausreichendem Maße vorhersagen.

Das Ziel des Brite/Euram Projektes war es, durch ein besseres Verständnis der Mechanismen bzw. Schlüsselfaktoren das Risiko von solchen Ermüdungserscheinungen infolge erzwungener Schwingungen zu reduzieren. Die Untersuchung dieser Faktoren erlaubt z. B. eine bessere oder genauere Vorhersage der Schwingungsamplituden der Schaufeln bevor ein neues Triebwerk gebaut wird.

Im vorhergehenden Framework-4-Projekt (ADTurB BRPR-CT95-0124) wurde die Anregung der Rotorschaufeln mit der Schaufelwechselfrequenz durch den stromauf liegenden Stator untersucht. Das vorliegende Projekt erweiterte dieses Thema auf Anregungsquellen, die mit sehr viel kleineren Frequenzen als die Schaufelwechselfrequenz ablaufen. Solche "Low Engine Order (LEO)"-Anregungen in einer Turbinenstufe entstehen zum Beispiel, wenn in Umfangsrichtung die Statorgeometrie von der idealen Form abweicht, die Kühlluftausblasung von Statorschaufel zu Statorschaufel ungleichförmig ist, oder Nachläufe von stromauf liegenden Einbauten (z. B. Streben) auf die Rotorschaufeln wirken usw..

Das DLR war im ADTurBII-Projekt durch Experimente in einer Hochdruckstufe vertreten, welche im Windkanal für Rotierende Gitter, Göttingen durchgeführt wurden. Die aerodynamischen Untersuchungen wurden vom Institut für Antriebstechnik in Kooperation mit der KTH Stockholm vorgenommen, während aeroelastische Untersuchungen vom Institut für Aeroelastik ausgeführt wurden.

Zur Bestimmung der aerodynamischen Anregungskräfte erfolgten zunächst Stufenexperimente mit starren Rotorschaufeln. Die instationären Drücke auf den Rotorschaufeln wurden mit schnellreagierenden Druckaufnehmern (Kulites) gemessen. Das instationäre Geschwindigkeitsfeld wurde mit einem Laseranemometer (L2F) untersucht. Stationäre und instationäre Totaldruckmessungen mit pneumatischen Sonden wurden außerdem im Rotorabströmfeld durchgeführt.

Der Einsatz eines neuen Rotors mit flexiblen Schaufeln im nächsten Messabschnitt erlaubte dann die Messung der Schaufelschwingungen infolge aerodynamischer Anregung. Die Strömungsfeldgeometrie war identisch mit den starren Schaufeln. Das dynamische Verhalten wurde durch einen längeren Schaufelfuß mit "Tannenbaumform" wie in einer realen Maschine simuliert. Zur Bestimmung der Schwingungsformen dienten Dehnungsmeßstreifen auf den Schaufelfüßen. Zusätzliche Druckaufnehmer (Kulites) ermöglichten einen Vergleich der instationären Druckverteilungen zwischen starrer und flexibler Schaufel. Das Experiment mit den flexiblen Schaufeln diente der Untersuchung der Schaufelantworten auf die aerodynamischen Anregungskräfte und der Untersuchung der aeroelastischen Wechselwirkung zwischen Schaufelschwingungen und diesen Kräften. Die Ergebnisse der Untersuchungen wurden in einer Datenbasis zur Validierung von Rechenprogrammen gespeichert.

Meridionalschnitt durch die Messstrecke des RGG mit eingebauter ADTurB-Stufe

Autoren: Fritz Kost, Hans-Jürgen Rehder


Kontakt
Hans-Jürgen Rehder
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Antriebstechnik
, Turbine
Tel: +49 551 709-2388

Fax: +49 551 709-2806

E-Mail: Juergen.Rehder@dlr.de
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