Theoretische und experimentelle Untersuchungen zum Einsatz der Wirbelstromdämpfung zur Reduktion von Turbinenschaufelschwingungen

Laufschaufeln der Niederdruckendstufe von Dampfturbinen sind mechanisch hochbelastete Maschinenelemente. Bedingt durch die hohe statische Last durch Fliehkräfte sind nur geringe schwingungsinduzierte mechanische Wechsellasten zu tolerieren, um ein Versagen auszuschließen. Gleichzeitig sind die Anregungsmechanismen durch Wechselwirkung mit dem Arbeitsfluid vielfältig. Um im Fall von selbst- und fremderregten Schwingungen die Amplituden zu minimieren, wird die mechanische Dämpfung durch konstruktive Maßnahmen gezielt beeinflusst. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung eines Wirbelstromdämpfungskonzepts zur Minderung von Schaufelschwingungen. Dabei werden Permanentmagnete und elektrisch leitfähige Platten so in die Beschaufelung integriert, dass durch Relativbewegung Wirbelströme in der Leiterplatte induziert werden. Analog zur im Turbomaschinenbau gebräuchlichen Reibungsdämpfung findet dabei durch die Joule’sche Erwärmung eine Wandlung von kinetischer in thermische Energie statt, sodass eine Amplitudenreduktion eintritt. Charakteristikum dieses passiven, berührungslosen Ansatzes ist, dass die Wirkungsweise in sehr guter Näherung über ein lineares, geschwindigkeitsproportionales Dämpfungsgesetz beschrieben werden kann. Außerdem führt das Einbringen der Dämpfungselemente nur zu einer geringen Änderung von Eigenfrequenzen und Eigenformen, was den Auslegungsprozess deutlich vereinfachen kann. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Berechnungsverfahren zur Schwingungsanalyse von Titanund Stahlschaufeln mit Wirbelstromdämpfern entwickelt. Die numerische Lösung erfolgt in einem zweistufigen Prozess unter Verwendung der Finite-Elemente-Methode im Zeit- und Frequenzbereich. Zwei verschiedene Dämpferkonfigurationen werden verglichen. Der Einfluss des Schaufelmaterials sowie der geometrischen Abmaße des Dämpfungselements wird untersucht. An Modellschaufeln werden experimentelle Analysen des Dämpfungskonzepts durchgeführt und das Berechnungsmodell validiert. Anhand von Simulationen für eine Niederdruckendstufenschaufel werden das Dämpfungspotential sowie mögliche Verschiebungen der Resonanzfrequenzen gegenüber den Eigenfrequenzen des ungedämpften Systems analysiert. Durch Betrachtung verschiedener Resonanzen wird der Einfluss der Frequenz und der Schwingungsform auf den resultierenden Dämpfungseffekt untersucht.