Ausgangspunkt / Motivation

In realen Triebwerken treten im Gegensatz zu idealisierten Prüfstandbedingungen starke Schwankungen bei Druck und Temperatur auf, die durch vorgeschaltete Komponenten verursacht werden. Beispielsweise variiert die Temperatur nach der Brennkammer oft um bis zu 200°C über den Umfang. Diese Unregelmäßigkeiten regen die nachfolgenden Turbinenstufen zu Schwingungen an.

Da moderne Triebwerke zur Treibstoffeinsparung immer kürzer und leichter gebaut werden, verschlechtert sich paradoxerweise oft die Schwingungssituation. Es ist daher notwendig, diese komplexen Wechselwirkungen genau zu verstehen, um effiziente und zugleich robuste Bauteile zu konstruieren.

Ziele

• Systematische Untersuchung des Einflusses von Zuström-Inhomogenitäten auf Turbinenrotoren
• Kombination von experimentellen Messungen mit komplexen numerischen Simulationen
• Entwicklung eines schnellen Berechnungstools für die frühe Entwurfsphase von Turbinen

Inhalt

Der inhaltliche Kern des Projekts war die Analyse der sogenannten Fluid-Struktur-Interaktion in Niederdruckturbinen. Dabei wurde untersucht, wie die physikalischen Kräfte der strömenden Luft mit der mechanischen Struktur der Turbinenschaufeln interagieren.

Ein wesentlicher Innovationsschritt war die Modellierung des gesamten 360°-Umfangs der Turbine, anstatt wie bisher üblich nur einzelne Teilsegmente zu betrachten. Nur so lassen sich die Auswirkungen der realen, ungleichmäßigen Strömungsverhältnisse präzise erfassen.

Dieser ganzheitliche Ansatz ermöglichte es, die Stabilitätsgrenzen der Bauteile unter realitätsnahen Betriebsbedingungen detailliert zu kartieren und Schwachstellen frühzeitig zu identifizieren.

Methodik/Vorgehensweise

Das Team nutzte eine duale Strategie aus experimentellen Messungen und numerischen 3D-Simulationen. Da die Simulation des vollständigen Turbinenumfangs extrem rechenintensiv und zeitaufwendig ist, wurde parallel ein spezielles, effizientes Berechnungstool programmiert.

Dieses Tool erlaubt es, die Systemstabilität in sehr kurzer Zeit abzuschätzen. Durch den Abgleich der Computerergebnisse mit realen Messdaten vom Prüfstand wurde die Genauigkeit der Vorhersagemodelle kontinuierlich verbessert.

Diese methodische Kombination stellt sicher, dass die Forschungsergebnisse direkt in die praktische Auslegung neuer, schwingungsoptimierter Triebwerkskomponenten einfließen können, ohne langwierige Rechenprozesse abwarten zu müssen.

Ergebnis zu Projektende

• Detailliertes Verständnis der Schwingungsanregung durch reale, ungleichmäßige Randbedingungen
• Entwicklung eines praxistauglichen Tools zur schnellen Stabilitätsbewertung in der Designphase
• Wissenschaftliche Grundlage zur Beherrschung von Vibrationen bei besonders leichten Triebwerkskomponenten

Projektkoordination

Technische Universität Graz

Projektpartner:innen

• ABES Pircher & Partner
• bionic surface technologies

Technische Universität Graz
Rechbauerstraße 12
A-8010 Graz
Tel.: +43 (316) 873 0
E-Mail: info@tugraz.at
Web: www.tugraz.at