Experimentelle Untersuchung aeroakustischer und aeroelastischer Phänomene in Hochdruck-Radialverdichtern

Duisburg, Essen (2011), XXI, 222 S.
Dissertation / Fach: Maschinenbau
Fakultät für Ingenieurwissenschaften » Maschinenbau und Verfahrenstechnik
Duisburg, Essen, Univ., Diss., 2011
Abstract:
Zur Untersuchung der Anregung von Laufradeigenschwingungsformen sowie von akustischen Eigenmoden im Verdichtergehäuse ist ein einstufiger Hochdruck-Radialverdichter mit einer Vielzahl zeitlich hochauflösender Sensoren sowohl auf der Stator- als auch auf der Rotorseite instrumentiert worden. Die Daten aus dem Rotorsystem werden mittels eines Telemetriesystems ins ruhende System übertragen. Ergänzend zu den zeitlich hochauflösenden Sensoren ist der Verdichter mit konventioneller Messtechnik ausgestattet, die zur Bestimmung des Verdichterbetriebspunktes und der Schallgeschwindigkeit sowie zur Untersuchung der Radseitenraumströmung und der Strömungssymmetrie dient. Der Verdichter wird für verschiedene Eintrittsbedingungen von einer Start- auf eine Enddrehzahl beschleunigt, währenddessen die Messdaten der zeitlich hochauflösenden und konventionellen Messtechnik simultan und kontinuierlich aufgezeichnet werden. Dabei werden Druckniveaus von bis zu 30 bar im Verdichter eingestellt. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Anregung struktureller und akustischer Eigenschwingungsformen durch drehzahlharmonische Druckschwankungen, die aus der Interaktion des Laufrades mit den Leiträdern resultieren. Durch die Interaktion des Laufrades und der im Verdichter vorhandenen Leiträder entstehen Druckmuster, die im Verdichter rotieren. Diese Druckmuster besitzen eine diskrete Anzahl Druckmaxima und bzgl. des Rotorsystems Frequenzen, die sich aus Linearkombinationen der Schaufelzahlen der verschiedenen Leiträder ergeben. Die Amplituden der Druckschwankungen hängen vom Betrachtungspunkt ab, welcher durch eine örtliche Position im Verdichter sowie einen Betriebspunkt des Verdichters definiert ist. Bei gleicher örtlicher Position und konstant angenommenen Strömungsbedingungen (gleiche Geschwindigkeitsdreiecke am Ein- und Austritt des Laufrades) sind die Druckschwankungen abhängig vom Eintrittsdruck, dem Isentropenexponenten und der Umfangsmachzahl. Wird der Verdichter mit beschaufeltem Diffusor betrieben, sind die Druckschwankungen um ca. den Faktor 20 höher als im Betrieb mit unbeschaufeltem Diffusor. Auch Druckmuster, die scheinbar aus der Interaktion des Laufrades mit anderen Statorschaufelreihen resultieren, werden essentiell durch die Diffusorschaufeln beeinflusst. So steigt die Resonanzamplitude einer Laufradeigenschwingungsform, die durch ein Druckmuster angeregt wird, das bei rein mathematischer Betrachtung aus der Interaktion des Laufrades und den Rückführschaufeln resultiert, um den Faktor vier, wenn der Verdichter mit beschaufeltem Diffusor betrieben wird. Eine Resonanzanregung des Laufrades erfolgt, wenn die Modenordnung eines aus der Laufrad/Leitrad-Interaktion resultierenden Druckmusters einer modalen Komponente einer Laufradeigenschwingungsform entspricht und die Frequenz des Druckmusters der zur Laufradeigenschwingungsform zugehörigen Eigenfrequenz gleicht. Mittels einer Modalanalyse werden die Eigenschwingungsformen sowie die zugehörigen Eigenfrequenzen und Dämpfungswerte für atmosphärische Bedingungen bestimmt. Basierend auf diesen Daten werden die Resonanzdrehzahlen berechnet. Diese stimmen gut mit den experimentell bestimmten überein. Geringe Abweichungen sind dadurch begründet, dass die Laufradstruktur und das umgebende Fluid ein gekoppeltes System bilden, dessen Eigenfrequenzen von denen des separat betrachteten Laufrades abweichen. Für die eingestellten Druckniveaus im Verdichter sind die Unterschiede gering. Dennoch zeigen die Ergebnisse, dass mit steigendem Druckniveau bzw. mit höherer Fluiddichte eine gekoppelte Betrachtung der Struktur und des umgebenden Fluids relevant wird. Ferner sind die Dehnungsamplituden im Resonanzfall nahezu unabhängig vom eingestellten Druckniveau. Dies ist darin begründet, dass die aus den Druckmustern resultierenden, anregenden Kräfte in gleichem Maße wie die aerodynamische Dämpfung des Laufrades mit steigendem Druckniveau zunehmen. Mit Hilfe einer Harmonic Response Analysis können anhand gemessener Dehnungen die maximalen Spannungen im Bauteil abgeschätzt werden. Diese sind für alle untersuchten Resonanzstellen gering und nicht bauteilgefährdend. Analog zur Anregung des Laufrades werden akustische Eigenmoden in den Radseitenräumen des Verdichters durch drehzahlharmonische Druckschwankungen angeregt. Die Anregung erfolgt, wenn das anregende Druckmuster die gleiche Modenordnung wie der akustische Eigenmode besitzt und Frequenzgleichheit bzgl. des gleichen Bezugssystems herrscht. Die Detektion der akustischen Moden erfolgt über konventionelle, zeitlich hochauflösende Drucksensoren. Mittels einer Finiten Elemente Rechnung werden die akustischen Eigenmoden und -frequenzen bestimmt. Aufbauend auf diesen Daten und einem Anregungsmodell können die akustischen Resonanzstellen im Verdichterkennfeld prognostiziert und Resonanzüberhöhungen in Drucksignalen akustischen Moden zugeordnet werden. Die Frequenzen der akustischen Eigenmoden in den Radseitenräumen werden maßgeblich durch die dort herrschende Strömung des Fluides beeinflusst. Diese ist durch eine hohe Rotationsgeschwindigkeit gekennzeichnet. Die Rotationsgeschwindigkeit der Strömung und die Phasengeschwindigkeit des akustischen Eigenmodes überlagern sich, so dass die Frequenzen der akustischen Eigenmoden bzgl. des Statorbezugssystems aus der Summe beider Geschwindigkeiten folgen. Im Gegensatz zu den Ergebnissen aus Berechnungen treten die akustischen Eigenmoden in den meisten Fällen nicht gekoppelt in beiden Radseitenräumen auf, sondern separat und räumlich getrennt in nur einer der beiden Kavitäten. Im Resonanzfall besitzen die Amplituden akustischer Moden zum Teil die gleiche Größenordnung wie die Druckschwankungen, die aus der direkten Interaktion von Laufrad- und Diffusorschaufeln resultieren.