Schaufeln in Hochdruckturbinen können – z. B. durch verschlossene Kühlluftkanäle – während der Betriebszeit Schäden erleiden, die oft zu einer ausgebrannten Fehlstelle an der Hinterkante führen. Ein derartiger Schaden führt zu einer im Vergleich zu anderen Schaufeln veränderten Abströmung und dementsprechend zu instationären Luftkräften, die nicht mehr bei der Schaufelwechselfrequenz sondern entsprechend ihrer Verteilung über den Umfang bei deutlich tieferen Frequenzen (Low Engine Order) auftreten. Neben der generell veränderten Aerodynamik, die zu einer anderen instationären Schaufelbelastung führt, können durch die zusätzlichen Anregungsfrequenzen auch Resonanzen auftreten, die zu hohen Schwingungsamplituden führen und damit die Lebensdauer oder im Extremfall den sicheren Betrieb beeinträchtigen.
Mit den aus den früheren EU-Projekten ADTurB I/II vorliegenden Statoren und Rotoren wurden im Projekt Robusturb (LuFo IV) im Ringgitterprüfstand in Göttingen experimentelle Untersuchungen zur Messung der instationären aerodynamischen Anregung aufgrund beschädigter Hinterkanten der Statorschaufeln in Kooperation mit dem Institut für Antriebstechnik und einem Industriepartner durchgeführt.
Neben der Frage, ob dadurch Anregungen in Resonanz erfolgen, interessierte auch ein Vergleich zwischen Größe des Schadens und Höhe der Anregung, um während Inspektionen die Lebensdauerbeeinträchtigung durch die Anregung beurteilen zu können. Von besonderem Interesse ist hierbei, ob sich reale Schäden auf eine Untermenge generischer Schäden reduzieren lassen und ob sich aus einer entsprechenden Modellbildung mit den bekannten Anregungen durch die generischen Schäden der Grad der realen Schädigung schnell abschätzen lässt, auch um vor Ort über den Weiterbetrieb inspizierter Triebwerke entscheiden zu können.
Durch den Industriepartner wurden drei unterschiedliche Schadensformen in jeweils drei unterschiedlichen Ausprägungen definiert und Statorschaufeln mit diesem Schaden in den sonst unbeschädigten Stator eingefügt (siehe Bild1 u. 2). Mit der noch aus den Vorgängerprojekten vorhanden, recht umfangreichen Ausrüstung der Rotorschaufeln mit instationären Druckaufnehmern konnten die Druck-Fluktuationen in der Schaufelumströmung durch die Nachläufe im Allgemeinen und die Veränderung durch die Schäden im Speziellen gemessen werden. So zeigt das Bild rechts unten die von einem Sensor im Bereich der Vorderkante der Rotorschaufeln gemessenen Druckverläufe für eine komplette Umdrehung. Erkennbar sind die Statornachläufe und die beiden Schadensbereiche, die jeweils aus einer Kombination von beschädigten Schaufeln entstanden.
Literatur: