Numerische Optimierung dreidimensional parametrisierter ...

1. Einleitung und Problemstellung
Die weltweit zur Verfügung stehende hochwertige Primärenergie in Form von Erdöl bzw. -gas
ist begrenzt. Durch Neuerschließungen, die zum Teil heute schon umstritten sind, wird die
Gesamtmenge zwar immer wieder angehoben, ein maßvoller Umgang mit diesem wichtigen
Rohstoff in Industrie, Verkehr, Stromerzeugung, Haushalten und weiteren Verbrauchern ist
trotzdem notwendig. Dem gegenüber steht ein jährlich wachsender Energiebedarf mit den verbundenen
Umweltproblemen durch vermehrten CO2-Ausstoß und anderen Emissionen. Der
CO2-Ausstoß gilt als eine der treibenden Kräfte für den Treibhauseffekt und die damit zu
erwartenden Klimaveränderungen. Um dem entgegenzuwirken, ist dabei neben Energieeinsparungsmaßnahmen
eine möglichst effiziente Energieumwandlung von hochwertiger, transportabler
Primärenergie in nutzbare mechanische Energie entscheidend. Die Problematik des
Energiehaushalts hat auch eine starke politische Dimension, wie es sich z. B. bei den Verhandlungen
und der Ratifizierung des Kyoto-Protokolls 1997 [7] zwischen den stark wachstumsorientierten
Industrienationen und den sich entwickelnden Ländern abzeichnet.
Der Flugverkehr und der damit verbundene Verbrauch hochwertiger Primärenergie, der sich
bis jetzt noch nicht durch Alternativen ersetzen läßt, steigt dem Trend der wachsenden Globalisierung
folgend jährlich um ungefähr fünf Prozent an. Im zivilen und militärischen Flugverkehr
werden heute als Antriebsaggregate fast ausschließlich Fluggasturbinen eingesetzt. Die
Fluglinien, als Hauptbetreiber von Flugtriebwerken, stellen einen Forderungskatalog an heutige
und besonders an zukünftig zu entwickelnde Triebwerke. Zu den früher geltenden Entwicklungsmaximen
„höher, schneller, weiter“ hat sich „bezahlbar“ ergänzt (siehe Raj 1998
[58]). Die Triebwerke werden mittlerweile sogar maßgeblich unter Kostengesichtspunkten
beurteilt. Die Wirkungsgrade und damit die Effizienz der Energieumsetzung der Triebwerke
soll möglichst hoch sein, um die Betriebskosten durch die Senkung des Treibstoffverbrauchs
zu reduzieren. Das Eigengewicht der Triebwerke soll klein sein, um die Nutzlast des gesamten
Flugzeugs nicht einzuschränken. Gleichzeitig sollen auch die Herstellungs- und Wartungskosten
reduziert werden. Schon bei der Entwicklung werden durch Einsparung ganzer Turbinenbzw.
Verdichterstufen und von anderen Bauteilen des Triebwerks direkt die Kosten reduziert.
Eine Reduzierung der Bauteilanzahl in einem Triebwerk führt zu einer Verringerung möglicher
Fehlerquellen und damit zu einer Steigerung der Verläßlichkeit des Gesamtsystems. Kosteneinsparungen
bei der Wartung erfolgen durch verbessertes Monitoring und Lebensdauerprognosen
der verschiedenen Werkstoffe und daran angepaßte Wartungsintervalle. Diese
Forderungen lassen besonders bei der Niederdruckturbine noch ein hohes Einsparpotential
erwarten. Die Niederdruckturbine muß, eventuell über ein Getriebe, die Antriebsleistung des
Fans, d. h. des Bläsers oder Propellers, bereitstellen. Durch die hohe Anzahl an Stufen ist sie
für etwa ein Drittel des Gesamtgewichts eines Triebwerks verantwortlich. Die Beschaufelung
ist dabei für ca. 30 – 50 % der Kosten dieser Komponente verantwortlich (Ardey et al. 2000
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