Experimentelle Untersuchungen von strömungsinduzierten Schaufelschwingungen in Radialturbinen

Esper, Alexander Jan; Wirsum, Manfred; Vogt, Damian

doi:HT020324528

Experimentelle Untersuchungen von strömungsinduzierten Schaufelschwingungen in Radialturbinen = Experimental investigations of forced response blade vibrations in radial turbines

Esper, Alexander Jan^RWTH*

2019 & 2020

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Alexander Jan Esper

ImpressumAachen 2019

Umfang1 Online-Ressource (viii, 201 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2020

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Wirsum, Manfred (Thesis advisor)^RWTH* ; Vogt, Damian (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-08-30

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-11070
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/773367/files/773367.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Kraftwerkstechnik, Dampf- und Gasturbinen und Institut für Dampf- und Gasturbinen (412510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
aerodynamische Dämpfung (frei) ; Tip Timing (frei) ; Turbolader (frei) ; aerodynamic damping (frei) ; erzwungene Schaufelschwingungen (frei) ; experimental investigations on radial turbines (frei) ; experimentelle Messungen an Radialturbinen (frei) ; forced blade vibrations (frei) ; tip timing (frei) ; turbocharger (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

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.

The life time of today's turbo chargers is limited by the cyclical thermal stress as well as the mechanical load due to blade vibrations occurring during turbocharger operation. While the transient operation of turbochargers and the associated fluctuations in hot gas temperature shave already been extensively investigated, the phenomenon of forced blade vibrations has become increasingly relevant in recent decades. The trend of development in turbo chargers has shifted towards lighter and slender parts compared to previous designs thus improving the efficiency of rotating components. In this context, the occurrence of forced blade vibrations in radial turbine wheels may lead to higher component stresses and therefore increase the risk of component failure due to High Cycle Fatigue (HCF). The aim of the present research work is to analyze different operating parameters in terms of their influence on the resulting flow induced blade vibrations of a radial turbine in a turbo-charger. An evaluation regarding the relevance of the individual parameters as well as possible improvements should be derived from the measurement results of the experiments carried out. Extensive experimental vibration tests were carried out on a test turbocharger designed for us age in marine engine applications using two simultaneously instrumented vibration measurement technologies. In the present test setup, an optical Blade Tip-Timing System with eight sensors is used to investigate the occurring forced response blade vibrations of the radial turbine wheel. Additionally, eight strain gauges were instrumented directly on the tur-bine wheel as well as two strain gauges placed on the turbine shaft. First, a sensitivity analysis was carried out with regard to the influence of the used measuring technology on the resulting blade vibrations. The influences of the operating parameters of the turbine inlet temperature as well as the operating point of the turbocharger were analysed for the resulting vibration conditions. In addition, the influence of the asymmetry of the turbine stator and the turbocharger compressor was investigated for all resonance occurrences of the turbine rotor.

OpenAccess:
PDF
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