Zur Simulation von Fluid-Struktur-Wechselwirkungen schwingender Verdichtergitter mittels kommerzieller Software

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Mit den weltweiten Bestrebungen nach leistungs- und kostenoptimierten Flugtriebwerken wird der aeroelastischen Vorhersage des Schaufelschwingungsverhaltens im gesamten Betriebsbereich des Verdichtungssystems eine gesonderte Rolle zuteil. Die Identifizierung kritischer Schaufelschwingungen ist im Hinblick auf die Bauteilintegrität von besonderem Interesse und kann bereits während der Auslegungsphase durch aeroelastische Simulationen erfolgen. Diese berücksichtigen die instationäre Wechselwirkung zwischen der beteiligten Struktur- und Aerodynamik. Die vorliegende Arbeit folgt der Zielstellung, die zuvor rein strukturdynamischen Analysemethoden am Lehrstuhl Strukturmechanik und Fahrzeugschwingungen, integriert im Institut für Verkehrstechnik der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus, um das Gebiet aeroelastischer Simulationen zu erweitern. In Entsprechung des Standes der Wissenschaft und Technik wurden uni- und bidirektional gekoppelte Berechnungsmethoden zur Simulation der Fluid-Struktur- Wechselwirkungen schwingender Verdichtergitter mittels kommerzieller Software umgesetzt und gegenübergestellt. Dabei kam ein partitioniertes, explizites Kopplungsverfahren in Verbindung mit der vom Fraunhofer-Institut für Algorithmen und Wissenschaftliches Rechnen SCAI entwickelten Softwareumgebung MpCCI (Mesh based parallel Code Coupling Interface) zum Einsatz. Eine Überprüfung der Funktionalität erfolgte anhand eines akademischen Beispiels einer querangeströmten, elastischen Platte. Vor dem Hintergrund der intensiven Forschungsarbeit des Lehrstuhls auf dem Gebiet der Strukturdynamik integraler Verdichterlaufräder (Blisks) schließt sich die Validierung des eingesetzten Strömungslösers hinsichtlich einer transsonischen, instationären Verdichterströmung innerhalb eines schwingenden Schaufelgitters an. Letztlich wird das grundlegende aeroelastische Verhalten eines realen Hochdruckverdichterlaufrades anhand eines unverstimmten, zweidimensionalen Modells analysiert. Ein Vergleich der Methoden zur Berechnung aeroelastischer Parameter ist Bestandteil der Untersuchungen. Basierend auf bidirektional gekoppelten Ergebnissen wird abschließend eine Verifizierung von abgeleiteten äquivalenten aerodynamischen Elementen innerhalb eines mechanischen, unverstimmten Ersatzmodells vorgestellt.