Numerische Optimierung dreidimensional parametrisierter ...

Numerische Optimierung dreidimensional parametrisierter
Turbinenschaufeln mit umfangsunsymmetrischen Plattformen –
Entwicklung, Anwendung und Validierung
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Auslegung dreidimensional gestalteter axialer
Turbomaschinenbeschaufelungen. Bei heutigen Auslegungen werden sehr hohe Anforderungen
an die Turbokomponenten gestellt. Zum einen sollen die Herstellungs- und Wartungskosten
durch eine möglichst geringe Bauteilanzahl reduziert werden, die allerdings zu einer
hohen Bauteilbelastung führt, und zum anderen sollen die Betriebskosten, und dabei besonders
der Treibstoffverbrauch, durch hohe Wirkungsgrade gesenkt werden.
Ein Ansatzpunkt stellt die Reduzierung der aerodynamischen Verluste dar. Dabei sind wiederum
die Sekundärströmungen von besonderem Interesse, da sie ca. 30 - 40 % der aerodynamischen
Gesamtverluste erzeugen. Die Sekundärströmungen sind stark dreidimensional
geprägte Strömungsvorgänge, deren effiziente Beeinflussung den Einsatz dreidimensional
gestalteter Beschaufelungen mit dazu angepaßten dreidimensionalen Naben- und Gehäusekonturen
erfordert. Dies führt zu einer deutlichen Anhebung der Komplexität des aerodynamischen
Auslegungsvorgangs, was vor dem Hintergrund des heutigen Kosten- und besonders
Zeitdiktats zu einem Interessenkonflikt führt.
Das Ziel dieser Arbeit war der Aufbau eines automatisierten Auslegungswerkzeugs, das die
vollständige dreidimensionale Gestaltung von Schaufelblatt und Plattformen ermöglicht. Zur
Bewältigung der hohen Parameteranzahl ist die dreidimensionale Auslegungskette mit Hilfe
eines numerischen Optimierungsalgorithmus zu einem automatisierten Kreislauf geschlossen
worden. Ein wesentlicher Aspekt der Arbeit ist die dreidimensionale Parametrisierung der
Geometrie, die in die Module axiale Merdionalkanalmodifikation, dreidimensionale Gestaltung
des Schaufelblatts und eine umfangsunsymmetrische Plattformgestaltung aufgeteilt
wurde. Zur Modellierung der dreidimensionalen Strömungseffekte wurde ein dreidimensionaler
Navier-Stokes-Strömungslöser mit eingebautem Transitionskriterium eingesetzt. Die Evaluierung
der Geometriekonfigurationen erfolgte durch integrale Kennzahlen, nach Kriterien
die aus umfangsgemittelten Größen in der Abströmebene abgeleitet sind und Kennzahlen zur
Beurteilung der einzelnen Profilschnitte. Als Optimierungswerkzeug kam ein gradientenbasiertes
SQP-Verfahren zum Einsatz.
Mit dem Verfahren wurde eine numerische Auslegungsoptimierung auf der Basis des Niederdruckturbinenprofils
T106D mit divergenten Seitenwänden durchgeführt. Zur notwendigen
Validierung der Auslegungssystematik wurde das optimierte Gitter T106Dopt im Hochgeschwindigkeits-Gitterwindkanal
experimentell untersucht. Das Auslegungsziel einer deutlichen
Reduzierung der integralen Verluste und Sekundärströmungsphänomene, bei Einhaltung
der vorgegebenen Enthalpieumsetzung, wurde im Rahmen der Optimierung erreicht.