Einfluss von Mistuning auf das Schwingungsverhalten freistehender Niederdruckbeschaufelungen in Dampfturbinen

Um die Betriebssicherheit von Turbomaschinen in einem möglichst großen Betriebsbereich zu gewährleisten, muss das dynamische Verhalten der einzelnen Stufen bekannt sein. Durch Fertigungstoleranzen im Schaufelblatt und unterschiedlichen Einspannverhältnissen am Schaufelfuß kommt es bei den nahe der Festigkeitsgrenze betriebenen Dampfturbinenendstufen zu zusätzlichen dynamischen Belastungen. Diese nehmen je nach Verstimmung der einzelnen Schaufeleigenfrequenzen und der Dämpfungsparameter teilweise sehr große Werte an. Dadurch kann es zu Beschädigungen infolge HCF (High Cycle Fatigue) kommen. Um den Effekt der Verstimmung zu quantifizieren, wird in vorliegender Arbeit das Schwingungsverhalten einer misgetunten Dampfturbinenendstufe analytisch, numerisch und experimentell untersucht. Die numerische Studie wird an einem vereinfachten Schaufel-Scheibe-Modell durchgeführt. Die Schaufeln sind lediglich als prismatische Stäbe modelliert. Neben dem Grad der Verstimmung findet auch der Einfluss der Kopplung über die Steifigkeit der Scheibe Berücksichtigung. Durch Umsortieren der Schaufeln am Umfang und eine Parameterstudie mit variierendem Mistuning lassen sich der Einfluss von Frequenz- und Dämpfungsmistuning sowie der Einfluss der Kopplung auf die Umverteilung eines Schaufelsatzes qualitativ beschreiben. Die experimentellen Untersuchungen an sieben unterschiedlichen Mistuningkonfigurationen zeigen sowohl die Wirkung von absichtlich alternierend eingebrachtem Mistuning als auch den Einfluss einer unterschiedlichen Standardabweichung bei zufälliger Schaufelfrequenzverteilung auf. Die mithilfe eines vorgestellten Korrekturverfahrens identifizierten Systemparameter eines weiteren Testfalls dienen zur Optimierung der Schaufelanordnung durch eine Monte-Carlo-Simulation. Es kann eine beachtliche Reduktion der Maximalamplitude messtechnisch nachgewiesen werden. Die Bestätigung der Optimierung durch das identifizierte, analytische Rechenmodell bleibt aufgrund mangelnder Kenntnisse über die Änderung von Kopplungs- und Dämpfungseigenschaften bei der Umsortierung aus. Eine abschließende analytische Parameterstudie erörtert, inwieweit sich kleinste Änderungen der Frequenzdifferenz von alternierend angeordneten Schaufelverbänden auf die Maximalamplitude eines Schaufelsatzes in Resonanz auswirken. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass durch zusätzliches Dämpfungsmistuning verstimmte Systeme im Bereich kleiner Störungen sehr instabil werden. Soll ein System insensitiv auf kleine Verstimmungen reagieren, sind große Frequenzstreuungen zu bevorzugen.