Minimierung von mechanischen Schwingungen an Dampfturbinenschaufeln

Turbinenschaufeln von Gas- und Dampfturbinen werden durch Fliehkraft, thermische Belastung und Schwingungen stark beansprucht. Bei der Auslegung muss deshalb großes Augenmerk auf die Festigkeit der Schaufeln gelegt werden, was die Gestaltungsfreiheit der Schaufelgeometrie und damit den erreichbaren Wirkungsgrad einschränkt. Durch die Verwendung von Dämpfungselementen kann die Belastung durch Schwingungen stark reduziert werden, sodass die Effizienz einer Beschaufelung und damit der Gesamtwirkungsgrad der Turbine erhöht werden kann.

Neben klassischen Reibdämpfern werden am IDS neuartige Dämpfungsverfahren untersucht. Bei der Wirbelstromdämpfung wird ein Aufbau aus Permanentmagneten und elektrisch leitenden Materialien zur Dämpfung von Schwingungen eingesetzt. Dabei wird der Effekt ausgenutzt, dass in einem elektrischen Leiter die Elektronen abgelenkt werden, wenn sich dieser relativ zu einem magnetischen Feld bewegt und auf diese Weise Wirbelströme in ihm induziert werden.

Dieser Stromfluss unterliegt wiederum der Wirkung des magnetischen Feldes, sodass der Leiter eine seiner Bewegung entgegengesetzte Kraft erfahrt. Dieser Effekt kann zur berührungslosen Schwingungsdämpfung genutzt werden und weist Ähnlichkeiten mit der Dämpfung durch eine umgebende, viskose Flussigkeit auf.

Zur Schwingungsminimierung an Turbinenschaufeln wird in eine Seite der Schaufeln ein Permanentmagnet und in die andere eine Kupferplatte eingelassen, sodass sich diese am Luftspalt zwischen zwei Schaufeln gegenüber stehen und im Fall von Vibrationen mechanische Schwingungsenergie durch entstehende Wirbelströme dissipiert wird.

Zur Validierung des Dämpfungsprinzips und der Simulationsmethodik wurde ein Standversuch aus Modellschaufelpaar, Shaker zur Anregung und Wirbelstromdämpfungselement aufgebaut. Mit der Erfassung von Frequenzgangen konnte eine Amplitudenreduktion um den Faktor zehn nachgewiesen werden. Der Vergleich von Simulation und Messung zeigt, dass im Fall rotationssymmetrischer Magneten und Kupferplatten bereits sehr gute Übereinstimmungen erreicht werden können.

Im Rahmen zukünftiger Untersuchungen soll das Simulationsmodell erweitert werden, um beliebige Geometrien des Dämpfers und den Einfluss umgebenden Metalls berücksichtigen zu können. Auch stellt die Haltbarkeit der verwendeten Seltenerd-Magnete unter dem Einfluss von Dampf und erhöhter Temperatur einen Fokus der Arbeit dar.

 

Weitere Informationen:

• Institut für Dynamik und Schwingungen
• Eddy Current Damping: A Concept Study for Steam Turbine Blading
  J. Eng. Gas Turbines Power 132 (5), 052505 (2010)