Numerische Optimierung dreidimensional parametrisierter ...

chung des optimierten Gitters können Auslegungskriterien für zukünftige Auslegungen von
Niederdruckturbinen abgeleitet werden.
2. Untersuchungen zu Sekundärströmungen
In diesem Kapitel wird nach einer theoretischen Einführung ein kurzer Überblick über die bisher
in der Literatur veröffentlichten Studien zu den in dieser Arbeit relevanten strömungsmechanischen
Themenbereichen gegeben, die zur Durchführung der Optimierung eines
Niederdruckturbinengitters benötigt werden. Dafür werden die im Rahmen einer geometrischen
Modifizierung beeinflußbaren Verlustmechanismen und im Anschluß daran mögliche
Verbesserungspotentiale kurz vorgestellt. Die Niederdruckturbine stellt als Baugruppe in
einem zivilen Triebwerk die zuletzt durchströmte Turbokomponente dar. Sie hat die Aufgabe,
den Niederdruckverdichter oder den Propeller des Triebwerks anzutreiben. Der Niederdruckverdichter5
ist bei zivilen Triebwerken dabei normalerweise für über 80 % der Schuberzeugung
verantwortlich. Aufgrund des großen Durchmessers kann der Fan nicht mit der hohen
Drehzahl6 betrieben werden, der für den Wirkungsgrad und Arbeitsbereich der Niederdruckturbine
optimal ist. Neue Studien versuchen deswegen, das Konzept eines zwischen Niederdruckturbine
und Fan bzw. Propeller gesetzten Getriebes umzusetzen. Die Drehzahlen für
beide Komponenten können somit in einem Bereich besseren Wirkungsgrads gewählt werden.
Die Wärmeableitung aus dem Getriebe, auch bei sehr hohen Getriebewirkungsgraden, stellt
momentan allerdings noch eine besondere konstruktive Herausforderung dar. Das Getriebe
führt außerdem zu einer erhöhten Teilezahl, mit den damit verbundenen Problemen des erhöhten
Gewichts, Ausfallwahrscheinlichkeit und Wartungskosten.
Niederdruckturbinen bei Triebwerken mit einem großen Nebenstromverhältnis bestehen meistens
aus mehreren Stufen mit einem stark divergenten Meridionalkanal. Die Einsparung einer
ganzen Stufe bewirkt neben der Gewichtseinsparung unter anderem eine kleinere axiale Baulänge,
günstigere Fertigungs- und Wartungskosten und eine geringere Ausfallwahrscheinlichkeit
und ist deswegen ein bevorzugtes Auslegungsziel. Die einzelnen Stufen der
Niederdruckturbine sind normalerweise hoch belastet. Die Erhöhung des Wirkungsgrades bei
kleinst möglicher Schaufel- und Stufenanzahl ist Ziel der aerodynamischen Auslegung. Die
Abströmungen der Schaufelreihen sollen dabei möglichst geringe Inhomogenitäten aufweisen,
um die Zuströmungsbedingungen der darauffolgenden Gitter nicht zu beeinträchtigen, bzw.
um die kaum nutzbare Energie der Sekundärströmungen in Grenzen zu halten.
5. Das erste Rotorgitter des Niederdruckverdichters wird normalerweise als Fan bezeichnet, wenn es auch den
äußeren kalten Kreis des Triebwerks abdeckt.
6. Begrenzend wirkt sich das Erreichen der Schallgeschwindigkeit an den Blattspitzen aus.
6