Aeroelastik und Wärmetransportmechanismen in Turboladern

 

Motivation

Strömungsinduzierte Schwingungen spielen eine bedeutende Rolle in der Auslegung von Radialturbinenkomponenten für Turbolader. Der Trend hin zu effizienteren und dynamisch schneller ansprechenden Turboladern bewirkt, dass speziell rotierende Komponenten generell leichter und schlanker ausfallen, was in der Folge zu Ermüdungsbrüchen durch High Cycle Fatigue (HCF) und demzufolge zu Maschinenschäden führen kann. Kritisch ist hierbei die Erregung des Rotors, die hauptsächlich durch folgende Phänomene bedingt ist:

  • Nachlaufdellen sowie Potential- und/oder Überschallstoßerregung durch den stromaufwärtsliegenden Düsenring
  • Ungleichförmigkeit des Strömungsfeldes in Umfangsrichtung aufgrund der Geometrie des Einlaufkanals (Krümmer, Volute) und des Austritts
  • Zeitliche Unstetigkeit der Strömung z.B. durch Stoßaufladung

Das Phänomen der strömungsinduzierten Schwingungen ist von aeroelastischer Natur und ist bedingt durch eine Wechselwirkung von instationärer Strömung und schwingfähiger Struktur. Potentiell gefährliche Schwingungen treten generell bei Resonanz von Schwingungsfrequenz eines Bauteiles und Erregungsfrequenz der Strömung auf.

 

Methode

Zum besseren Verständnis von strömungsinduzierten Schwingungen und das Verhalten der Schaufelschwingformen werden am Prüfstand des IKDG experimentelle Versuche an einem Turbolader mit Radialturbine durchgeführt. Es werden Versuche unterhalb typischer Einsatztemperaturen der Turbine bei 220°C am Turbineneintritt durchgeführt. Durch instrumentierte Schwingungsmesstechnik in Form eines Tip Timing Systems sowie transienten Drucksensoren, kann das Schwingungsverhalten der Schaufeln sowie das instationäre Druckverhalten der Strömung untersucht werden. Messungen bei 500°C Turbineneintrittstemperatur mit redundanter Schwingungsmesstechnik in Form von Dehnungsmessstreifen auf ausgewählten Schaufeln sowie des Tip Timing Systems ermöglichen detailliertere Informationen über die auftretenden Schwingungsformen. Weiterhin können Vergleiche hinsichtlich des Temperatureinflusses den Untersuchungen entnommen werden und dienen der Verbesserung des Verständnisses des komplexen Themas der Schaufelschwingungen in radialen Turbomaschinen sowie Ableitungen von möglichen Gegenmaßnahmen.