Ein Beitrag zur schwingungssicheren Auslegung von radialen Turbomaschinen mit Fokus auf Mistuning und Dämpfung

Radiale Turbinen- und Verdichterräder bilden hinsichtlich Wirtschaftlichkeit, Effizienz und insbesondere Umweltverträglichkeit essenzielle Eckpfeiler moderner Verbrennungskraftmaschinen. Sie repräsentieren in vielfältigen technischen Anwendungen den Stand der Technik. Umweltrelevante Aspekte beeinflussen die Entwicklung der Verbrennungsmotoren und treiben somit die Entwicklung der Abgasaufladung voran. Im Allgemeinen sind hierfür besonders hohe Druckverhältnisse erforderlich, die die Struktur erheblich belasten. Die hohen aerodynamischen Ansprüche erfordern filigrane Schaufelgeometrien. Immer dünnere Schaufeln, in Verbindung mit der geringen mechanischen Dämpfung infolge der Integralbauweise erschweren die schwingungssichere Auslegung von Turbomaschinen. Kleinste Imperfektionen, die bereits während der Fertigung entstehen, dominieren das dynamische Verhalten realer Komponenten. Die Abweichung vom ursprünglichen Design wird als Verstimmung (engl. Mistuning) bezeichnet. Die weitgehend zufällige Verstimmung reduziert die Lebensdauer der Komponenten, die durch Fliehkraft, Strömungsumlenkung, instationäre Druckschwankungen der Strömung sowie Temperaturgradienten dauerhaft hoch belastet sind. Die vorliegende Arbeit widmet sich der Beschreibung des Strukturverhaltens radialer Laufräder. Der Fokus der Arbeit liegt auf der Beschreibung der Radialturbine des Typs MAN TCR 18. Zusätzlich werden die Erkenntnisse dieses Laufrades mit weiteren radialen Laufrädern verglichen. Auf Grundlage von Messdaten, numerischen Berechnungsmodellen und Simulationsergebnissen gelingt es schließlich einen Leitfaden zur schwingungssicheren Auslegung von radialen Turbomaschinen mit dem Fokus auf Mistuning und Dämpfung bereitzustellen.