Probabilisti­sche Untersuchung und Detailoptimie­rung von Rotoren für Turbomaschinen

Projektleiter:	Prof. Dr.-Ing. Konrad Vogeler
Bearbeiter:	Dipl.-Ing. Ilko Reuter
Wissenschaftliche Kooperation:	AG TURBO 2020
Finanzierung:	BMWi, Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG , MTU Aero Engines AG
Laufzeit:	03/11 - 02/14

Beschreibung:

Aufgrund eines möglichst effektiven Betriebs von Flugtriebwerken oder stationären Gasturbinen unterliegen deren rotierenden Bauteile einer hohen strukturmechanischen und strukturdynamischen Beanspruchung. Das Bauteilversagen wird dabei maßgeblich durch die Parameter: Temperatur, Fertigungsgenauigkeit, Sicherheitsfaktoren, mechanische Belastung, Zyklen Anzahl, Werkstoff und der Belastungsdauer bestimmt.
 
Vor allem die Rotorschaufeln sowie -Scheiben von Gasturbinen unterliegen einem hohen Temperaturbereich wobei die Werkstoffe bis an ihre Belastungsgrenzen geführt werden und somit ein starker Einfluss auf die Lebensdauer der Bauteile genommen wird. Um einen sicheren und effizienten Betrieb dieser Maschinen zu gewährleisten ist die Kenntnis bzw. Prognose über die Lebensdauer der Bauteile unumgänglich. Gleichzeitig spiegelt sich dieses Verhalten in den Betriebskosten und Wartungsintervallen der Anlagen wieder.

Variationen in den Eingangsgrößen werden bei herkömmlichen, deterministischen Lebensdauerberechnungen durch geeignete Sicherheitsfaktoren oder konservativen Annahmen berücksichtigt. Probabilistische Herangehensweisen ermöglichen hingegen eine direkte bzw. gezielte Untersuchung der Parameterstreuungen. Dadurch lassen sich gegebenenfalls einflussreiche Parameter früher erkennen und in den Auslegungsprozess mit integrieren.
 
Im Rahmen dieses Projekts wird am Beispiel von Verdichter- und Turbinenscheiben, eine probabilistische FEM-Untersuchung für die Zielgrößen Lebensdauer (Kriechen, zyklische Wechselwirkung) und Integrität (Over-Speed Verhalten) durchgeführt. Dabei sollen die wichtigsten Parameterstreuungen, wie z.B. geometrische, thermodynamische, mechanische oder materialspezifische Parameter berücksichtigt werden.

Die resultierenden Ergebnisgrößen sollen eine Aussage über die Versagenswahrscheinlichkeit der Bauteile treffen. Frühzeitigen Schädigungsbeginn infolge von nicht detektierbaren Fertigungsfehlern aufdecken. Und neben dem verbesserten Verständnis des mechanischen Gesamtverhaltens von Turbinenkomponenten, eine Anpassung von Sicherheitsfaktoren, Wartungs- und Betriebskonzepten ermöglichen.