Influence of inflow inhomogeneities on the vibration excitation of an NDT of modern dual-circuit engines

So far, perfect periodic inlet boundary conditions have been realized in measurements on test benches. This was and is necessary in order to be able to draw general conclusions, save measuring time and also to enable a comparison with simulation results, which usually only consider a periodic sector for reasons of time. However, in a real engine under real operating conditions, these perfect periodic boundary conditions will not be found, i.e. there will be variations in the boundary conditions at the inlet. These are usually total pressure and/or total temperature variations that are caused or imposed by upstream components. For example, the temperature around the circumference after the combustion chamber of an engine can vary by 100°C to 200°C. The subsequent stage is excited to vibrate by this temperature difference and the resulting density difference. The same applies to the total pressure. Here, for example, support ribs in the turbine intermediate casing can have different wakes, different pressure distributions due to separation, etc. The subsequent low-pressure turbine stage is thus excited to vibrate. This is all the more true the shorter the engine components are built in order to save weight and thus fuel, which can achieve a significant reduction in pollutant emissions. In short, an improvement for the environment is often accompanied by a deterioration in the vibration situation of the turbine parts or engine components, which can, however, be brought under control through the results of high-quality research projects such as those of the TAKE Off tenders.
In this project, the influence of these inflow inhomogeneities on the vibration excitation of a turbine rotor is to be systematically investigated experimentally and numerically (two-way fluid-structure interaction). The investigation of this real effect sets this project apart from the state of the art. The challenge for the numerics is that not only a periodic segment can be calculated, but the entire 360° circumference must be modeled and simulated. Since experience has shown that these calculations take up a lot of time and resources, a separate, easy-to-use calculation tool is programmed in parallel to the measurements and numerical simulations in order to calculate the stability of the system in a short time. This should make it possible to use this tool early in the design phase of the low-pressure turbine.

[Original text]
"Einfluß von Zuström-Inhomogenitäten auf die Schwingungsanregung einer NDT moderner Zweikreistriebwerke"
Bislang werden bei Messungen an Prüfständen perfekte periodische Eintrittsrandbedingungen realisiert. Dies war bzw. ist notwendig um allgemeine Schlüsse ziehen zu können, Meßzeit zu sparen und auch einen Vergleich mit Simulationsergebnissen, die meist aus zeitlichen Gründen nur einen periodischen Sektor betrachten, zu ermöglichen. Allerdings wird man in einem realen Triebwerk unter realen Betriebsbedingungen diese perfekten periodischen Randbedingungen nicht vorfinden, d.h. es wird zu Variationen der Randbedingungen am Eintritt kommen. Meist sind dies Totaldruck- und/oder Totaltemperaturvariationen die von stromaufwärtsliegenden Komponenten hervorgerufen bzw. aufgeprägt werden. Z.B. kann die Temperatur über den Umfang nach der Brennkammer eines Triebwerks über den Umfang um 100°C bis 200°C variieren. Die nachfolgende Stufe wird durch diesen Temperaturunterschied und den daraus resultierenden Dichteunterschied zu Schwingungen angeregt. Ähnliches gilt auch für den Totaldruck. Hier können z.B. Stützrippen im Turbinenzwischengehäuse unterschiedliche Nachläufe aufweisen, unterschiedliche Druckverteilungen aufgrund von Ablösungen usw. Die nachfolgende Niederdruckturbinenstufe wird dadurch zu Schwingungen angeregt. Dies gilt um so mehr je kürzer man versucht die Triebwerkskomponenten zu bauen, um Gewicht und damit Treibstoff einzusparen, womit man eine signifikante Reduktion des Schadstoffausstoßes erreichen kann. Somit geht kurz gesagt eine Verbesserung für die Umwelt oft mit einer Verschlechterung der Schwingungssituation der Turbinenteile bzw. Triebwerkskomponenten einher, die man aber durch die Ergebnisse qualitativ hochwertiger Forschungsprojekte wie denen der TAKE Off Ausschreibungen in den Griff bekommen kann.
In diesem Projekt soll der Einfluß dieser Zuström-Inhomogenitäten auf die Schwingungsanregung eines Turbinenrotors systematisch experimentell und numerisch (Zwei-Wege-Fluid-Struktur-Interaktion) untersucht werden. Die Untersuchung dieses realen Effektes hebt dieses Vorhaben deutlich vom Stand der Technik ab. Die Herausforderung besteht für die Numerik darin, daß nicht nur ein periodisches Segment gerechnet werden kann sondern der gesamte Umfang von 360° modelliert und simuliert werden muß. Da diese Berechnungen erfahrungsgemäß sehr viel Zeit und Ressourcen beanspruchen wird parallel zu den Messungen und numerischen Simulationen ein eigenes einfach zu bedienendes Berechnungstool programmiert, um die Stabilität des Systems in kurzer Zeit zu berechnen. Das soll es ermöglichen dieses Tool schon früh in der Auslegungsphase der Niederdruckturbine einzusetzen.