Experimentelle Untersuchungen von strömungsinduzierten Schaufelschwingungen in Radialturbinen

  • Experimental investigations of forced response blade vibrations in radial turbines

Esper, Alexander Jan; Wirsum, Manfred (Thesis advisor); Vogt, Damian (Thesis advisor)

Aachen (2019, 2020)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Kurzfassung

Die Lebensdauer heutiger Turbolader wird sowohl durch die zyklische thermische Beanspruchung sowie durch die mechanische Belastung aufgrund von im Betrieb auftretenden Schaufelschwingungen limitiert. Während die in stationäre Betriebsweise von Turboladern und die damit verbundenen Schwankungen der Heißgastemperaturen bereits umfangreich untersucht wurden, gewinnt das Phänomen der Schaufelschwingungen in den letzten Jahrzehnten zunehmend an Relevanz. Der Entwicklungstrend bei Turboladern hat sich hin zu leichteren und schlankeren rotierenden Komponenten verglichen mit früheren Konstruktionen verlagert, um auf diese Weise die Effizienz dieser rotierenden Bauteile zu verbessern. Hierbei kann das Auftreten von erzwungenen Schaufelschwingungen in Radialturbinenrädern zu höheren Bauteilbelastungen führen, wodurch das Risiko von Ermüdungsbrüchen durch High Cycle Fatigue (HCF) ebenfalls erhöht wird. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, unterschiedliche Betriebseinflüsse hinsichtlich ihres Einflusses auf die resultierenden Schaufelbelastungen einer Radialturbine eines Turboladers zu analysieren. Eine Bewertung der Relevanz der einzelnen Parameter sowie mögliche Verbesserungsmaßnahmen sollen aus den Messergebnissen der durchgeführten Versuche abgeleitet werden. Hierzu erfolgten umfangreiche experimentelle Schwingungsversuche an einem Turboladeraus dem maritimen Einsatz mit redundanter Schwingungsmesstechnik. Im vorliegenden Versuchsaufbau kam ein optisches Tip-Timing System mit acht Sensoren zum Einsatz, um die auftretenden erzwungenen Schaufelschwingungen der Radialturbinenschaufeln zu untersuchen. Zusätzlich wurden 8 Dehnungsmessstreifen direkt auf den Schaufeln des Turbinen-rotors sowie zwei Dehnungsmessstreifen auf der Turbinenwelle appliziert. Beginnend mit einer Sensitivitätsanalyse hinsichtlich des Einflusses der verwendeten Messtechnik auf identifizierte Schaufelschwingungszustände wurden die Einflüsse der Betriebsparameter Turbineneintrittstemperatur sowie des Betriebspunktes des Turboladers auf die resultierenden Schwingungszustände analysiert. Darüber hinaus konnte erstmalig der Einfluss der Asymmetrie des Turbinenleitgitters sowie des Turboladerverdichters auf die Schwingungen des Turbinenrotors nachgewiesen werden.

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