Optimierung der Fügestellen von Bauteilen unter Berücksichtigung multifrequenter Schwingungsanregung und nichtlinearer Kontaktkräfte im Frequenzbereich

• Antragsteller: Dr.-Ing. Lars Panning-von Scheidt
• Fachliche Zuordnung: Mechanik ; Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2008 bis 2013
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 53797010

• Erstellungsjahr: 2012

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In einem früheren, durch die Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e.V. (FVV) geförderten Vorhaben hat sich gezeigt, dass die Dynamik von Turbinenschaufeln mit Reibungsdämpfung im Bereich der optimalen Dämpfung mit der Harmonischen Balance nicht zufriedenstellend modelliert werden kann. Daher wurde im abgeschlossenen Vorhaben ein multiharmonischer Ansatz verwendet. Zur Berechnung der Dynamik von Turbinenbeschaufelungen mit Reibungsdämpfung ist ein Programmcode entwickelt worden, der auf der Methode der Höher Harmonischen Balance basiert. Die für die Berechnung benötigten Eingabedateien können aus FE-Programmen exportiert werden. Um die Systemgröße zu reduzieren, können die Strukturmatrizen mit der Craig-Bampton-Methode oder modal beschrieben werden. Die Modellierung der Anregung kann über diskrete Erregerkräfte an ausgewählten Erregerknoten oder eine reduzierte Erregung erfolgen. Der Reibkontakt kann über einen oder mehrere Punktkontakte oder über die Annahme starrer Flächen im Kontakt modelliert werden. Für die Beschreibung des Kontakts wurden zwei verschiedene Modelle implementiert: eine elastische Formulierung mit Normal- und Tangentialsteifigkeiten und dem Reibkoeffizienten als Parameter sowie die Dynamic Lagrangian Frequency Time Method, die keine Kontaktsteifigkeiten benötigt. Um Anwenderfreundlichkeit sicherzustellen, können die Anzahl der Harmonischen sowie weitere Parameter bei Bedarf automatisch während der Frequenzgangberechnung angepasst werden. Durch die multiharmonische Modellierung können nicht nur höher harmonische Schwingungsantworten berechnet werden, es ist auch möglich, eine höher harmonische Anregung zu verwenden. Letzteres ist für die Anwendung auf einen Schaufelkranz mit realer Anregung besonders wichtig. An einem Versuchsstand konnten bei unterschiedlichen Temperaturen und Normalkräften Reibhysteresen bei harmonischer Anregung ermittelt werden. Die Modellparameter Reibkoeffizient sowie Tangentialsteifigkeit konnten aus den gemessenen Hysteresen bestimmt werden. Sie stimmen qualitativ gut mit aus der Literatur bekannten Messungen überein.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Nonlinear Multiharmonic Vibrations of Coupled Turbine Bladings. SIRM 2009 - 8th International Conference on Vibrations in Rotating Machines, Vienna, 2009, S. 1-13
  Siewert, C.; Panning, L.; Wallaschek, J.
  
• Optimierung der Fügestellen von Bauteilen unter Berücksichtigung multifrequenter Schwingungsanregung und nichtlinearer Kontaktkräfte im Frequenzbereich. Zwischenbericht Vorh. Nr. 961, FVV-Heft R 548 (2009), Informationstagung Turbomaschinen, Herbst 2009, Dresden
  Herzog, A., Panning, L., Wallaschek, J.
  
• Multiharmonic Forced Response Analysis of a Turbine Blading Coupled by Nonlinear Contact Forces. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power (Trans. ASME), Vol. 132, Nr. 8, S. 082501-1-082501-9, 2010
  Siewert, C.; Panning, L.; Wallaschek, J.; Richter, C.
  
• Nonlinear Vibrations with Friction: A Multiharmonic Approach. Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics, GAMM-Tagung 2010, Karlsruhe, S. 245-246
  Herzog, A.; Panning, L.
  
• Optimierung der Fügestellen von Bauteilen unter Berücksichtigung multifrequenter Schwingungsanregung und nichtlinearer Kontaktkräfte im Frequenzbereich. Abschlussbericht Vorh. Nr. 961, FVV-Heft R 554 (2011), Informationstagung Turbomaschinen, Frühjahr 2011, Bad Neuenahr
  Herzog, A., Panning, L., Wallaschek, J.
  
• Multiharmonic Analysis and Design of Shroud Friction Joints of Bladed Disks Subject to Microslip. Paper DETC/CIE2012-70184, Proceedings of ASME 2012 International Design Engineering Technical Conferences & Computers and Information in Engineering Conference IDETC/CIE, 12.-15. August 2012, Chicago, USA, S. 1-10
  Krack, M.; Herzog, A.; Panning-von Scheidt, L.; Wallaschek, J.; Siewert, C.; Hartung, A.
  
• Optimierung der Fügestellen von Bauteilen unter Berücksichtigung multifrequenter Schwingungsanregung und nichtlinearer Kontaktkräfte im Frequenzbereich. Abschlussbericht Vorh. Nr. 1045, FVV-Heft R 561 (2012), Informationstagung Turbomaschinen, Herbst 2012, Dortmund
  Herzog, A., Panning-von Scheidt, L., Wallaschek, J.