Blade vibrations of real blisks regarding mistuning and localisation

Im Rahmen der stetigen Weiterentwicklung von Flugtriebwerken, mit dem Ziel umweltfreundlicherer, leistungsfähigerer und hinsichtlich ihres Brennstoffverbrauchs optimierter Gesamteigenschaften, nimmt die integrale Ausführung von Verdichterlaufrädern (Blisk) einen immer größeren Stellenwert ein. Aufgrund der einteiligen Bauweise der Blisks entfallen hierbei die speziell im Falle vorderer Rotoren massiven, konventionellen Schaufelfüße und Scheibenhöcker, was, bedingt durch die hierdurch resultierende Gewichtsreduktion, die Realisation moderner, hochbelasteter Verdichter mit hohen Umfangsgeschwindigkeiten erst ermöglicht. Neben den genannten Vorteilen ist jedoch auch die verschwindend geringe Strukturdämpfung und die besondere Sensitivität bezüglich Fertigungsimperfektionen zu nennen, welche eine örtliche Begrenzung von Schwingformen (Mode-Lokalisierung), begleitet durch ein deutlich erhöhtes Schwingungsniveau, hervorruft. Diese örtlich begrenzte Überhöhung der Schwingantwort verstimmter Blisks kann, in Kombination mit ungünstiger aerodynamischer Anfachungen, zu einem kritischen Anstieg des lebensdauerrelevanten Beanspruchungsniveaus einzelner Schaufeln führen. Die Kenntnis dieser Zusammenhänge bildet somit u. a. die Voraussetzung für die Auswahl geeigneter Schaufeln zur Dehnmessstreifen-Applikation, welche wiederum die Grundlage für ein aussagekräftiges Schwingungsüberwachungssystems darstellt. Diese Arbeit stellt mit Hilfe experimenteller und numerischer Untersuchungsmethoden einen ausführlichen Überblick über die Schwingungserscheinungen integraler Laufrädern dar. Hierbei werden zunächst mit Hilfe komplexer Gesamtmodelle der Rotoren eines Versuchshochdruckverdichters die Grundlagen der Struktureigenschwingungen anhand verschiedener Beispiele veranschaulicht. Aufbauend auf dem Verhalten des unverstimmten, perfekten Design-Modells werden anschließend die Unterschiede im Vergleich zum verstimmten, realen System detailliert erläutert. Nachfolgend werden die Eigenschaften unverstimmter und die Besonderheiten verstimmter Systeme während der erzwungenen Schwingung aufgezeigt, sowie neue Beurteilungsgrößen zur Charakterisierung des Schwingverhaltens vorgestellt und am Beispiel verschiedener Verdichterrotoren illustriert. In Abhängigkeit von den gegebenen Randbedingungen, wie z.B. der individuellen Systemverstimmung, der Schaufelschwingform, der Anfachung, als auch der Dämpfung prägen sich hierbei für die verschiedenen Rotorgeometrien unterschiedlich starke Mode-Lokalisierungen und Schwingungsamplituden aus, wobei sich im Besonderen Schaufeltorsionsmoden, niedrige Erregerordnungen, sowie Moden mit einer hohen Anzahl an Knotendurchmesserlinien als auch Rotoren mit einem ungünstigen Scheiben-Schaufel-Steifigkeitsverhältnis auszeichnen. Ergänzend zum Einfluss der fertigungsbedingten Schaufelverstimmung auf die Rotorunwucht werden die Auswirkungen, welche aus der zusätzlichen Dehnmessstreifen-Instrumentierung resultieren, im Hinblick auf eine Beeinflussung des Schwingverhaltens diskutiert.Aiming at more environmentally-friendly, more efficient and more powerful aero engines, integrated blade disk assemblies (blisks) will become more significant in the future development of aero engines. Compared to conventional bladed disk assemblies, the integrated design instead of heavy blade-disk connection of modern aero engine compressors results in reduced rotor masses, facilitates higher maximum rotational velocities and improved pressure ratios (increased efficiency factors). Apart from these advantages a number of disadvantages occur. Some of them are for example a very low structural damping and a higher sensitivity to manufacturing- and material tolerances (mistuning). This results in localized vibration modes, higher displacement amplitudes, critical stress levels and reduced high cycle fatigue (HCF) of several blades due to inauspicious aerodynamic excitations. From this, an optimum choice of blades to be instrumented with strain gauges (s/g) is the basis of a convincing vibration monitoring system during rig tests. Based on experimental and numerical investigations an overview of the vibration behaviour of tuned and of mistuned blisks in particular will be presented detailly in this work. The basic principles of blisk vibrations are shown using updated full finite element models of different rotor stages from a research high pressure compressor (HPC). Based on the vibrational behaviour of the tuned, ideal design model the characteristics of the mistuned system will be explained first, followed by the properties of forced response of the tuned and mistuned blisk. In this context new criteria for a simple evaluation of localized vibration modes will be introduced and illustrated in detail by comparison of different real blisk stages. The investigations show, that different levels of mode-localization and blade displacement magnifications occur, depending on the blisk geometry and boundary conditions (blade mode, engine order excitation, damping, etc.). Especially the blade-to-disk-ratio and the blade mode are dominating factors: Torsional modes, blisks with an inauspiciously related disk stiffness, low engine order excitations and blade modes with a high number of nodal diameters respectively have a higher mistuning sensitivity than blade bending modes or blisks with favourable related disk stiffness. Complementary to the influence of manufacturing-caused blade mistuning on rotor balance, the effects of s/g-application on blades will be discussed regarding the modification of the blisk vibration behaviour