Numerische Optimierung dreidimensional parametrisierter ...

[4]). Die Umweltaspekte gewinnen neben den Kosten in letzter Zeit immer mehr an Bedeutung,
dabei besonders die Abgas- und Lärmemissionen. An vielen Orten sind mittlerweile
Gebühren bei Überschreitung zulässiger Höchstgrenzen für die Lärmemissionen festgesetzt
worden. Die Triebwerkshersteller versuchen, diesen Forderungen nachzukommen. Ihr Ziel ist
es deswegen, entsprechend dem Anforderungskatalog leichte, kostengünstige Triebwerke mit
hohem Wirkungsgrad zu produzieren, um als Wettbewerber am Markt bestehen zu können.
Eine Steigerung des thermischen Wirkungsgrads läßt sich durch eine Erhöhung der Turbineneintrittsbedingungen
Druck und Temperatur erreichen, um die Divergenz der Isobaren im Enthalpie-Entropie-Diagramm
effizienter auszunutzen (Traupel 1988 [72]). Durch moderne
Kühlkonzepte können die Turbineneintrittstemperaturen bereits weit über die Schmelztemperaturen
heutiger Turbinenwerkstoffe angehoben werden. Ein wünschenswerter größerer Erhöhungsschritt
ist derzeit nur durch eine bessere Kühlungstechnologie und verbesserte
Werkstoffeigenschaften möglich. Ein anderer Ansatz zur Erhöhung der Effizienz der Energieumsetzung
besteht in der Verringerung der aerodynamischen Verluste im Triebwerk. Dieser
Punkt gewinnt durch die geforderte Reduzierung der Bauteile und die damit verbundene Belastungserhöhung
noch zusätzlich an Bedeutung. In Turbomaschinen gibt es eine Vielzahl von
Mechanismen, durch die aerodynamische Verluste entstehen. Ein Überblick über diese Mechanismen
wurde von Denton 1993 [13] zusammengestellt. Durch die Erhöhung der Stufenbelastung
verstärkt sich die Ausbildung komplexer dreidimensionaler Strömungsphänomene,
sogenannter Sekundärströmungen. Diese Sekundärströmungen erhöhen die Verluste der einzelnen
Schaufelreihen und ziehen gleichzeitig auch noch eine Inhomogenisierung der Abströmung
und dadurch eine Fehlanströmung der nächsten Schaufelreihe nach sich.
Sekundärströmungen stellen in modernen Triebwerken etwa ein Drittel1 der aerodynamischen
Verluste dar, siehe Abb. 1.1. Ein Ziel einer aerodynamischen Auslegung ist es, neben der
Erfüllung der geforderten Enthalpieumsetzung, unter anderem diesen Verlustmechanismen,
durch Veränderungen der geometrischen Berandung des Strömungskanals, bestehend aus
Schaufelblatt und Seitenwänden, entgegenzuwirken. Bei bisherigen und aktuellen Auslegungsmethoden
wird die Geometrie noch meistens durch zweidimensional definierte Schnitte, wie
sie in S1 / S22 Untersuchungen verwendet werden, definiert. Einen guten Überblick über die
grundlegenden Auslegungskriterien kann den Literaturstellen Hourmouziadis 1989 [38], Fottner
1989 [24] und Starken 1989 [69] entnommen werden. Um die verlustintensiven Sekundärströmungseffekte
effektiv reduzieren zu können, muß jedoch die geometrische Form der
Turbinengitter und Seitenwände dreidimensional den aerodynamischen Erfordernissen angepaßt
werden, siehe dazu auch Denton 1994 [14]. Der Übergang zu dreidimensional definierten
Geometrien führt zu einer starken Zunahme der die Geometrie beschreibenden Freiheitsgrade
1. Sharma et al. 1986 [65]: Die Sekundärströmungsverluste können in Rotor- oder Statorgittern bis zu 30-50 %
der aerodynamischen Verluste darstellen, in Eintrittsleitgittern mit geringerer Umlenkung bis zu 20 %.
2. Lage der S1 und S2 Flächen siehe Abb. 3.3
2