Scanning Vibrometer visualisieren Lokalisie-rungseffekte bei Strukturschwingungen an Triebwerksverdichterlaufrädern in Integral- bauweise (blisk).

Verdichterlaufräder für Flugtriebwerke werden zunehmend in Integralbauweise hergestellt. Bei der Untersuchung und Interpretation von Schwingungserscheinungen, die für die Lebensdauer des  Laufrads relevant sind, stellt diese innovative Bau-form eine besondere Herausforderung dar. Mit dem Einsatz eines PSV Scanning Vibrometers wird hier ein wesentlicher Beitrag geleistet, da es die maßgeblichen Schwingformen direkt visualisieren kann.

Verbunden mit der Forderung nach immer umweltfreundlicheren und leistungsfähigeren Flugtriebwerken hat die sogenannte Integralbauweise von Verdichter- laufrädern einen hohen Stellenwert.  

Da diese Strukturen aus einem Stück oder mittels Reibschweißverfahren gefertigt werden, kann man auf ge- wichtsintensive Schaufelfuß-Konstruktionen verzichten. Mit der sogenannten Blisk (Blade integrated disk)-Bau-form können daher im Vergleich mit der konventionellen Ausführung höhere Rotationsgeschwindigkeiten und ein  verbessertes Druckverhältnis erzielt werden. Allerdings wirft sie eine Reihe von Fragen zum strukturdynami-schen Verhalten auf. Insbesondere ist der Einfluss von Fertigungsungenauigkeiten (Mistuning) nicht zu vernachlässigen, da die Schaufeln dabei individuell unter-schiedliche Schwingungseigenschaften erhalten (Bild 1). In diesem Zusammenhang können auch Lokalisierungs-erscheinungen in den Schwingungsmoden auftreten, welche durch aerodynamische Anfachungen zu hohen Beanspruchungen der Schaufeln führen können.

Messtechnischer Aufbau

Die untersuchte Blisk (Bild 2) umfasst 29 Schaufeln, von denen die Schaufeln 3, 9, 12, 18, 26 und 29 mit Dehnmessstreifen (DMS) instrumentiert sind. Aufgrund ihrer zusätzlichen Masse, Dämpfung und Steifigkeit ist der Einfluss der DMS auf das Schwingverhalten nicht vernachlässigbar.

Im Rahmen späterer Testläufe stellt die Überwachung der DMS-Signale einen zuverlässigen Betrieb sicher. Die Anregung erfolgt mittels eines über eine Spannvorrichtung angekoppelten elektrodynamischen Shakers mit einem Gleitsinus-Signal im Bereich der Grundbie-gefrequenzen der Schaufeln. Die Ankopplung ist zur Ermittlung von Übertragungsfunktionen mit einem Referenz-Kraftsensor versehen.

Die Flächenmessung mit dem PSV Scanning Vibrometer beschränkt sich aufgrund von Abschattungseffekten zunächst auf 22 Schaufeln. Zur Vervollständigung der Schwingungsforminformation in Umfangrichtung wurde in einem zusätzlichen Scan auf einem geschlossenen Ring im Bereich der Schaufelspitzen gemessen. 

5. Ausgewählte Schwingformen

Ergebnisse

Die Darstellung der über alle Scanpunkte gemittelten Über-tragungsfunktionen (Bild 4) zeigt, dass im untersuchten Frequenzband eine Reihe von Peaks auftritt, die einerseits aus dem Mistuning der Schaufeln resultieren, andererseits mit bestimmten Schwingungsmoden der gekoppelten Scheibe/Schaufel-Bewegung in Zusammenhang stehen. Eine 2D-Visualisierung zugehöriger Schwingformen ist für einige ausgewählte Fälle in den Bildern 5 und 6 zusammengefasst. Die Beispiele a - c sind dabei geprägt von starken Kopplungen von Scheiben- und Schaufelbewegungen, was sich im Auftreten von Knotendurchmesserlinien äußert.

So entspricht der Fall a) einer Schwingform mit zwei Knotendurchmesserlinien, einer sogenannten „Cyclic Symmetry Mode 2“ (CSM 2), welche infolge des Mistunings zu einem gewissen Grad verzerrt ist und daher in der Abwicklung (Bild 6) von einer idealen sinusförmigen Gestalt abweicht.

Die Schwingungsformen b) und c) entsprechen den Mo-den CSM 5 und CSM 1, während sich d) nicht mehr ohne Weiteres zuordnen lässt. Hier zeigt sich vielmehr eine im Bereich der Schaufel 3 stark lokalisierte Schwingform, wie sie prinzipiell durch Mistuning hervorgerufen werden kann.

Eine derartige Schwingform fällt durch eine weitgehend isolierte Bewegung einer Schaufel und ggf. der unmittelbar angrenzenden Schaufeln auf. Die Schaufel 3 ist mit einem DMS instrumentiert, sodass durch dessen Massen- und Steifigkeitsbeitrag eine zusätzliche Verstimmung hervorge-rufen wird. In Vorversuchen konnte nachgewiesen werden, dass die zugehörige Schwingfrequenz der sogenannten  „Blade-Alone-Frequenz“ der instrumentierten Schaufel 3 entspricht.

4. Gemittelte Übertragungsfunktion

Berührungsfreie Messmethoden wie die Laser Scanning Vibrometrie sind die Grundlage zur Analyse unverfälschter Strukturschwingungen und effizienter Lebensdauerberechnung.

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