Schlüsselwort: Auslegung von Turbomaschinen

Gasturbinen sind im Betrieb hohen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt. Dabei steht insbesondere die hochzyklische Ermüdung (HCF) im Fokus, die durch selbst- oder fremderregte Schwingungen ausgelöst wird. Im kritischen Fall der Resonanz können die Schwingungsamplituden über gezielt eingebrachte Reibkontakte effektiv gemindert werden, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten.In dieser Arbeit werden die bisher nur äußerst begrenzt behandelten Zusammenhänge zwischen den geometrischen Auslegungsparametern einer Turbinenschaufel und dem Schwingungsverhalten unter Reibungsdämpfung systematisch untersucht. Dazu wird eine geeignete Parametrisierung entwickelt und ein bestehendes mechanisches Modell zur Beschreibung nichtlinearer Schwingungen entsprechend in eine umfassende Simulationsprozesskette eingebettet. Zusätzlich wird eine auf Ersatzmodellen und statistischer Versuchsplanung beruhende Analysestrategie entwickelt, mit der die Haupt- und Interaktionseffekte der Systemparameter auf eine Ausgangsgröße quantifiziert werden können. Diese wird jeweils für Schaufelgeometrien mit Stützflügel und Unterplattformdämpfer verwendet, um den Einfluss der geometrischen Auslegungsparameter auf die statische Flächenpressung im Reibkontakt, die Resonanzamplitude der ersten Biegeschwingung sowie die dynamischen Spannungen zu bestimmen. Gas turbines are subject to large thermal and mechanical loads during operation. Above all, design is focused on high-cycle fatigue (HCF) which is caused by self or force-excited vibrations. For the critical case of resonance, the resulting amplitudes can be lowered effectively by introducing friction joints. This work investigates the relations between geometric turbine design parameters and the vibrational behavior under friction damping, as this topic is yet to be addressed thoroughly. For this purpose, an appropriate parametrization is developed and a well-proven mechanical model for non-linear vibration is embedded into a complex simulation toolchain. In addition to that, an analytical strategy based on surrogate modeling and design-of-experiment methods is developed which is used to quantify the main and interaction effects of design parameters onto a variety of outputs. The developed approach is applied to a turbine blade coupled by a snubber contact and a blade with underplatform damper. Consequently, the influence of geometric design parameters onto the static contact force in the friction joint, the resonance amplitude of the first bending mode and the dynamic stresses are systematically outlined.