Projekte

VIGOR - Versuchsstand für Turbinen in Flugzeugtriebwerken



Das Projekt VIGOR (Versuchsstand für irreguläre gedämpfte Oszillationen mit Reibung) des Systemhaus Technik beinhaltet die Entwicklung eines Versuchsstands, welcher drei voneinander unabhängige harmonische Schwingungen ausführen soll. Mit Hilfe dieses Versuchsstands soll das Reibverhalten von Dämpfungselementen in den Turbinen von Flugzeugtriebwerken näher untersucht werden. Diese in Turbinen eingesetzten Reibelemente werden durch die Fliehkraft an die Füße der Rotorschaufeln gepresst und wandeln kinetische Energie über die Reibung in Wärmeenergie um.

Als Lagerung für jede der drei Schwingungen sollte ein Federmechanismus verwendet werden. Der Versuchsstand soll im Arbeitsbereich zwischen 10 und 15Hz unterkritisch betrieben werden. Die maximalen Schwingamplituden sind dabei jeweils abhängig von den maximalen Beschleunigungen, welche der Erdbeschleunigung entsprechen sollen. Die Dämpfung des Systems sollte möglichst gering sein.

Lösungskonzepte

VIGOR Lösungskonzept
Zum Auffinden des besten Lösungskonzepts wurde die Gesamtkonstruktion in einzelne Teilfunktion zerlegt. Diese sind unter anderem die Form der Federelemente (Blattfedern), die Anzahl der Federeinheiten je Schwingung und die Anordnungen der Federeinheiten für die jeweilige Schwingung.

Durch die Vergleiche der Lösungsvarianten der verschiedenen Teilfunktionen, welche uneingeschränkt verträglich mit den anderen Teilfunktionen sind, konnten bereits einige Lösungsvarianten ausgeschlossen werden. Die Kombination der verbleibenden Lösungsvarianten mit Hilfe des Kombinationsschemas des „Morphologischen Kastens“ ergab sechs mögliche Lösungskombinationen, aus welchen sich nach der anschließenden technischen Bewertung das in der Abbildung dargestellte Lösungskonzept als beste Lösungskombination ergab.

Dieses Lösungskonzept beinhaltet die Verwendung von jeweils einer Federeinheit zur Lagerung der beiden horizontalen Schwingungen. Die vertikale Schwingung wird durch zwei parallel geschaltete Federeinheiten realisiert. Diese Kombination ermöglicht eine sehr kompakte Bauweise.

Konstruktion

In der zweiten Abbildung ist die Gesamtkonstruktion dargestellt. Unter Verwendung von mehreren Anbauteilen ist es möglich, die beiden horizontalen Federeinheiten unabhängig voneinander zu fixieren oder auch zu koppeln. Durch eine Schieberkonstruktion auf der Grundplatte ist es möglich, die vertikalen Federeinheiten zu fixieren. Die ersten Eigenfrequenzen aller drei Schwingungen besitzen, abhängig von den Fixierungen und Kopplungen und den daraus resultierenden zusätzlichen Massen, Werte zwischen 23,5 und 25 Hz. Somit ist der unterkritische Betrieb im Arbeitsbereich gesichert.

Analyse der Schwingformen

VIGOR - Gesamtkonstruktion
Die Analyse der Schwingformen erfolgte auf zweierlei Weise. Die erste Variante beinhaltet die Approximation jeder Federeinheit durch einen gekoppelten Zwei-Massen-Schwinger. Dabei wurden die Blattfedern vereinfacht und unter Verwendung der Integrationsmethode die Steifigkeiten für den vorliegenden Biegefall ermittelt. Die Massen der Federn wurden anteilig auf die Punktmassen verteilt. Durch die Ergebnisse dieser Berechnungen konnten die Eigenfrequenzen und die erforderlichen frequenzabhängigen Erregerkräfte bestimmt und damit die Gesamtkonstruktion optimiert werden.

Die zweite Variante der Schwingungsanalyse beinhaltet die Approximation der dreidimensionalen Gesamtstruktur unter Verwendung der Methode der finiten Elemente. Mit Hilfe dieser Methode wurde das dynamische Verformungsverhalten der gesamten Struktur ermittelt. Abweichungen von den jeweils idealen geradlinigen Schwingungen konnten somit bestimmt werden und durch die Optimierung der Gesamtkonstruktion verringert werden.

Die Eigenschwingformen entsprechen den vom Versuchsstand auszuführenden Schwingungen. Die zu diesen Formen gehörenden Eigenfrequenzen liegen, abhängig von den verwendeten Anbauteilen, im Bereich zwischen 23,5 und 25 Hz. Somit ist der Betrieb im Arbeitsbereich (10-15Hz) problemlos möglich.

Als Resultat dieses Projekts liegt die vollständige Konstruktion des Versuchsstands vor. Die Festanforderungen wurden dabei vollständig erfüllt, die Wünsche ohne Ausnahmen berücksichtigt. Die ersten Eigenfrequenzen des Systems befinden sich im Bereich zwischen 23,5Hz und 25Hz. Die erforderlichen Erregerkräfte und die Reaktion des Systems auf diese Kräfte sowie die Abweichungen von den jeweils idealen geradlinigen Schwingungen wurden ebenfalls bestimmt. Das Resultat ist ein Versuchsstand, bei welchem der Betrieb im Arbeitsbereich (10-15Hz), auch unter Berücksichtung von eventuellen Abweichungen, problemlos möglich ist.


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