Selbsterregte Schwingungen bei Turborotoren
Die Strömung durch berührungsfreie Labyrinthdichtungen von Turbomaschinen ruft Kräfte auf den Rotor hervor, die ab einer bestimmten Stabilitätsgrenze zu selbsterregten Schwingungen führen können. Die Stabilitätsgrenze wird im wesentlichen bei einer bestimmten Leistung oder Drehzahl erreicht. Bei der kontinuierlichen Zunahme der Leistungsdichte und der Drehzahl von Turbomaschinen und bei dem Einsatz neuer Dichtungskonzepte zur Verringerung der Spaltverluste, wird die zuverlässige und genaue Voraussage der Stabilitätsgrenze unumgänglich. Die Turbopumpen des Space-Shuttle sind das bekannteste Beispiel für das Auftreten selbsterregter Schwingungen.
Bild 1: Die Hochdruckturbopumpe für Brennstoff des Space.Shuttle mit der Lage der berührungslosen Labyrinthdichtungen nach Childs [1978]
Die Mechanismen in der Turbomaschine, die zu selbsterregten Schwingungen führen können, sind erstmals 1958 von Thomas, Emeritus am Lehrstuhl Thermische Kraftanlagen, richtig erkannt worden. Die Bestimmung der strömungsbedingten Kräfte in gasdurchströmten Labyrinthdichtungen, die mit Hilfe dynamischer Koeffizienten für die Steifigkeit und die Dämpfung beschrieben werden, und deren Auswirkung auf die Dynamik des Rotors, ist seither ein wichtiger Forschungsschwerpunkt am Lehrstuhl Thermische Kraftanlagen. Ein neues Identifikationsverfahren ermöglicht, ausgehend vom Stabilitätsverhalten einer flexiblen Modellwelle mit Prüflabyrinth (Bild 2), die vergleichsweise einfache Bestimmung der Kräfte mit guter Genauigkeit und Reproduzierbarkeit. Die Messungen erfolgen an der Stabilitätsgrenze, wobei die Destabilisierung/Stabilisierung mit Hilfe eines Magnetlagers erfolgt.
Bild 2: Prüfstand zur Identifikation von dynamischen Koeffizienten von Labyrinthdichtungen
Systematische Messungen mit einer Reihe von Dichtungsgeometrien bei Variation der strömungsbedingten Randbedingungen haben nicht nur die Vorgehensweise validiert, sondern sie erlauben auch den direkten Vergleich unterschiedlicher Dichtungskonzepte. Maßnahmen zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens können untersucht und optimiert werden.