AG Turbo Verbundvorhaben InnoTurbinE - Innovative Turbomaschinen für nachhaltige Energiesysteme; Teilvorhaben 2.2.c: Multiresonanzen und Multigrenzzykel & Teilvorhaben 3.2.c: Turbulenzverteilung im Verdichter

Abstract

AP 2.2c) Der vorliegende Bericht umfasst die Darstellung der innerhalb des AG Turbo-Verbundvorhabens Innovative Turbomaschinen für nachhaltige Energiesysteme (InnoTurbinE) an der Leibniz Universität Hannover (LUH) in der Laufzeit vom 01.08.2020 bis 31.12.2023 erzielten Ergebnisse innerhalb des Arbeitspakets 2.2c Multiresonanzen und Multigrenzzykel. Dieses wurde bearbeitet am Institut für Dynamik und Schwingungen (IDS) der Leibniz Universität Hannover. Industrieller Projektpartner war MTU Aero Engines AG (München). Im Bereich der Numerik und der erstmaligen Untersuchung von Multiresonanzen hat sich herausgestellt, dass insbesondere kommensurable Eigenfrequenzen zu einer Interaktion verschiedener Schwingungsmoden führen. Da diese im Falle von Reibungs-Nichtlinearitäten auftreten und damit eine Amplitudenabhängigkeit aufweisen, ist die numerische Vorhersage anspruchsvoll, da schon kleine Änderungen in den gewählten Systemparametern zu mitunter signifikanten Änderungen in den Eigenfrequenzverläufen führen. Dies hat sich im Verlauf der Bearbeitung als nicht nur numerisch-methodisch als anspruchsvoll erwiesen, sondern auch und insbesondere im experimentellen Nachweis derartiger Interaktionen verschiedener Schwingungsformen. In der Folge zeigte sich sowohl in den experimentellen Untersuchungen beim Industriepartner als auch an einem vereinfachten Balken-Versuchsstand an der Forschungsstelle, dass das Auffinden von Multiresonanzen und MultiGrenzzyklen in erheblichem Maße von den gewählten Randbedingungen abhängt und eine sehr genaue Wahl bzw. Bestimmung erforderlich machten, um einen erfolgreichen Abgleich der Simulationsergebnisse zu ermöglichen. Letztlich konnte aber nachgewiesen und erklärt werden, unter welchen Voraussetzungen Multiresonanzen entstehen und warum sowohl in den gemessenen als auch in den berechneten Amplitudengängen mitunter für eine einzige Harmonische einer Schwingungsmode bis zu drei Maxima auftreten. Darüber hinaus konnte durch eine Variation der Anregungsniveaus auch der Weg von einer einzelnen hin zu einer Multiresonanz gezeigt und erklärt werden. Als wesentliche Prinzip konnte hierbei die Amplitudenabhängigkeit der Resonanzfrequenzen verschiedener Schwingungsmoden aufgrund des Übergangs vom Haften zum Gleiten identifiziert werden: Setzt Gleiten infolge der Resonanz mit einer höheren Mode aufgrund der Anregung mit einem höher harmonischen Anteil in der Fremderregung ein, so werden dadurch alle Eigenfrequenzen, auch die der unteren Schwingungsformen beeinflusst und vermindert. Dadurch kann es in den unteren Harmonischen zu einem mehrfachen Erfüllen der Resonanzbedingung koinzidierender Erregerfrequenzen mit den (amplitudenabhängigen) Eigenfrequenzen kommen, welche sich dann bei der eigentlichen Resonanzkreuzung der Harmonischen wiederholt und es in dieser Folge zu mehreren Maxima entlang des Amplitudengangs einer Harmonischen kommen kann. AP 3.2c) Das Projekt zielte darauf ab, die Turbulenzverteilung innerhalb einer Verdichterkaskade umfassend zu analysieren und zu charakterisieren. Dazu wurde eine Turbulenzschublade konstruiert und erfolgreich in Betrieb genommen, um flexibel mit unterschiedlichen Turbulenzgitterkonfigurationen experimentieren zu können. Stereo Particle Image Velocimetry (PIV) wurde eingesetzt, um detaillierte Strömungsmessungen vor, in und hinter der Verdichterkaskade durchzuführen. Das entwickelte PIV-Konzept wurde erfolgreich getestet. Durch die Einstellung der Seitenwände und Tailboards war es möglich, die Homogenität der Strömung im Gitterkasten ohne die Notwendigkeit einer Grenzschichtabsaugung einzustellen. Darüber hinaus wurden Large Eddy Simulationen (LES) durchgeführt, um die turbulenten Strukturen in der Kaskade unter realistischen Bedingungen zu simulieren und einen noch tieferen Einblick in die Physik der Strömung zu erlangen. Die Ergebnisse dieser Simulationen wurden mit Hilfe der Messdaten validiert und liefern wertvolle Einblicke in die Strömungsdynamik innerhalb der Kaskade, was maßgeblich zur Validierung von RANS-Turbulenz- und Transitionsmodellen für den industriellen Einsatz beiträgt. Work package 2.2c: This report presents the results achieved within the AG Turbo joint project Innovative Turbomachines for Sustainable Energy Systems (InnoTurbinE) at Leibniz University Hannover (LUH) from August 1, 2020, to December 31, 2023, within work package 2.2c Multi-resonances and Multi-limit-cycles. It was carried out at the Institute of Dynamics and Vibration Research (IDS) at Leibniz University Hannover. The industrial project partner was MTU Aero Engines AG (Munich). In the field of numerics and the initial investigation of multi-resonances, it has been found that commensurable natural frequencies in particular lead to an interaction of different vibration modes. Since these occur in the case of friction nonlinearities and thus exhibit amplitude dependence, numerical prediction is challenging, as even small changes in the selected system parameters can sometimes lead to significant changes in the natural frequencies. In was proved to be challenging not only in terms of numerical methods, but also and in particular in the experimental verification of the interactions between different vibration modes. Subsequently, both the experimental investigations at the industrial partner and a simplified beam test rig at the research center showed that the detection of multi-resonances and multi-limit cycles depends to a considerable extent on the selected boundary conditions and required a very precise selection or determination in order to enable a successful comparison of the simulation results. Finally, it was possible to demonstrate and explain the conditions under which multi-resonances occur and why up to three maxima sometimes show up for a single harmonic of a vibration mode in both the measured and calculated amplitude responses. In addition, by varying the excitation levels, it was also possible to demonstrate and explain the transition from a single resonance to a multi-resonance. The essential principle identified here was the amplitude dependence of the resonance frequencies of different vibration modes due to the transition from sticking to sliding: If sliding occurs as a result of resonance with a higher mode due to excitation with a higher harmonic component in the external excitation, this reduces all natural frequencies, including those of the lower vibration modes. This can lead to multiple fulfillment of the resonance condition of coinciding excitation frequencies with the (amplitude-dependent) natural frequencies in the lower harmonics, which then repeats itself at the actual resonance crossing of the harmonics and can result in several maxima along the amplitude response of a harmonic. Work package 3.2c: The project aimed to comprehensively analyse and characterize the turbulence distribution within a compressor cascade. To achieve this, a turbulence drawer was designed and successfully implemented, allowing for flexible experimentation with different turbulence grid configurations. Stereo Particle Image Velocimetry (PIV) was employed to conduct detailed flow measurements before, within, and behind the compressor cascade. The developed PIV concept was successfully tested. By adjusting the sidewalls and tailboards, it was possible to achieve the homogeneity of the flow in the cascade wind tunnel without the need for boundary layer suction. Additionally, Large Eddy Simulations (LES) were conducted to simulate the turbulent structures in the cascade under realistic conditions, providing deeper insights into the flow physics. The results of these simulations were validated using the measurement data and offer valuable insights into the flow dynamics within the cascade, significantly contributing to the validation of RANS turbulence and transition models for industrial applications.