Die Kenntnis über kritische Schwingungsformen ist wichtig, um die Lebensdauer von Turbinenlaufrädern von Turboladern zu ermitteln. Forschern der BTU Cottbus-Senftenberg ist es gelungen, ein Vorhersagemodell für kritische Schwingungsformen zu entwickeln und den Einfluss von Druck, Temperatur und Fliehkraft darauf experimentell zu klären. Diese Ergebnisse wurden kürzlich auf der Herbsttagung der Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen (FVV) vorgestellt.
Um die Lebensdauer eines Abgasturboladers zu bestimmen, sind Kenntnisse über dessen Schwingungsverhalten notwendig. Selbst geringste fertigungsbedingte Abweichungen bei den Laufrädern führen zu Verstimmungen, die im Englischen als Mistuning bezeichnet werden, erläutern die Turbolader-Experten. Dieses Mistuning führe zu einer Änderung des strukturdynamischen Verhaltens der Laufräder. Optimalerweise sei dieses Verhalten bereits vor der Auslegung bekannt. Diesem Optimum sind Forscher der Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg im Rahmen der FVV-Projekte "Mistuning und Dämpfung I und II" bereits sehr nahe gekommen. Ein Team um Professor Dr. Arnold Kühhorn vom Lehrstuhl Strukturmechanik und Fahrzeugschwingungen des Instituts für Verkehrstechnik hat sich in den vergangenen vier Jahren mit dem Schwingungsverhalten gegossener Turbinenlaufräder beschäftigt. "Im Fokus unserer Untersuchungen standen die Auswirkungen betriebsspezifischer Prozessparameter wie Druck, Temperatur und Fliehkraft auf Mistuning und Dämpfung", erläutert Kühhorn.
Im ersten Teil des Projekts sei es gelungen, die durch Mistuning bedingte Schwingungsüberhöhung mithilfe eines neuentwickelten Modells zu berechnen. Die dazu erforderlichen experimentellen Untersuchungen erfolgten bei Raumbedingungen. Im zweiten Teil des Projekts habe das Modell mithilfe umfassender experimenteller Daten weiterentwickelt werden können. Ein Radialturbinenlaufrad des Typs MTU ZR 265 kam dabei als Versuchsträger zum Einsatz. Die Messungen zum Druckeinfluss wurden am Prüfstand der BTU Cottbus-Senftenberg, diejenigen zum Einfluss von Temperatur und Fliehkraft an der GEVA-Versuchsanlage in Berlin durchgeführt. GEVA steht für Gesellschaft für Entwicklung und Versuch Adlershof.
Einfluss von Gasdruck und Gastemperatur
"Die experimentellen Ergebnisse lassen klare Rückschlüsse auf bestehende Zusammenhänge zu", erklärt Kühhorn. Ein am ruhenden Laufrad unter Raumbedingungen identifiziertes Mistuning behalte auch unter Rotation, bei verändertem Druck oder einer erhöhten Temperatur seine Gültigkeit. Anders verhalte es sich bei der Dämpfung. Der dominierende Anteil der Dämpfung resultiere aus der Umströmung. So beeinflussen vor allem Gasdruck und Gastemperatur beziehungsweise die Gasdichte den Dämpfungsbeitrag des umgebenden Fluids, erläutert der Professor.
Diese experimentellen Ergebnisse dienen der Validierung des Finite-Elemente-Modells, das zuvor anhand von messtechnisch bei Raumbedingungen ermittelten Frequenzmistuningdaten abgeglichen wurde. Insbesondere gelang den Forscher der Nachweis, dass mithilfe des Modells erzwungene und für die Lebensdauer relevante Schwingungsantworten bei beliebigen Betriebszuständen wirklichkeitsnah berechnet werden können.
"Die hervorragenden Ergebnisse der Projekte können wir in der Industrie unmittelbar anwenden", erläutert Thomas Winter von der MAN Turbo & Diesel, der zugleich Obmann des begleitenden FVV-Industriearbeitskreises ist. Dazu diene ein praxisorientierter Leitfaden, der auf Basis des Modells entwickelt wurde. Kritische Schwingungszustände an Laufrädern, die wichtig für die Lebensdauervorhersage seien, könnten so bereits in der Designphase ermittelt werden. "Unser Arbeitskreis möchte gern die erfolgreiche Forschungskooperation mit der BTU Cottbus-Senftenberg in einem Folgevorhaben fortsetzen", führt Winter weiter aus.
Für diese Fortsetzung haben der Arbeitskreis und das BTU-Team schon konkrete Ideen entwickelt. Dazu zählen Untersuchungen zur Übertragbarkeit der Ergebnisse auf Turbinenlaufräder beliebiger Größe sowie die Berücksichtigung betriebstypischer Verschleißerscheinungen.