Numerische Optimierung dreidimensional parametrisierter ...

1. Einleitung und ProblemstellungDie weltweit zur Verfügung stehende hochwertige Primärenergie in Form von Erdöl bzw. -gasist begrenzt. Durch Neuerschließungen, die zum Teil heute schon umstritten sind, wird dieGesamtmenge zwar immer wieder angehoben, ein maßvoller Umgang mit diesem wichtigenRohstoff in Industrie, Verkehr, Stromerzeugung, Haushalten und weiteren Verbrauchern isttrotzdem notwendig. Dem gegenüber steht ein jährlich wachsender Energiebedarf mit den verbundenenUmweltproblemen durch vermehrten CO 2 -Ausstoß und anderen Emissionen. DerCO 2 -Ausstoß gilt als eine der treibenden Kräfte für den Treibhauseffekt und die damit zuerwartenden Klimaveränderungen. Um dem entgegenzuwirken, ist dabei neben Energieeinsparungsmaßnahmeneine möglichst effiziente Energieumwandlung von hochwertiger, transportablerPrimärenergie in nutzbare mechanische Energie entscheidend. Die Problematik desEnergiehaushalts hat auch eine starke politische Dimension, wie es sich z. B. bei den Verhandlungenund der Ratifizierung des Kyoto-Protokolls 1997 [7] zwischen den stark wachstumsorientiertenIndustrienationen und den sich entwickelnden Ländern abzeichnet.Der Flugverkehr und der damit verbundene Verbrauch hochwertiger Primärenergie, der sichbis jetzt noch nicht durch Alternativen ersetzen läßt, steigt dem Trend der wachsenden Globalisierungfolgend jährlich um ungefähr fünf Prozent an. Im zivilen und militärischen Flugverkehrwerden heute als Antriebsaggregate fast ausschließlich Fluggasturbinen eingesetzt. DieFluglinien, als Hauptbetreiber von Flugtriebwerken, stellen einen Forderungskatalog an heutigeund 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 Kostengesichtspunktenbeurteilt. Die Wirkungsgrade und damit die Effizienz der Energieumsetzung der Triebwerkesoll möglichst hoch sein, um die Betriebskosten durch die Senkung des Treibstoffverbrauchszu reduzieren. Das Eigengewicht der Triebwerke soll klein sein, um die Nutzlast des gesamtenFlugzeugs nicht einzuschränken. Gleichzeitig sollen auch die Herstellungs- und Wartungskostenreduziert 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 möglicherFehlerquellen und damit zu einer Steigerung der Verläßlichkeit des Gesamtsystems. Kosteneinsparungenbei der Wartung erfolgen durch verbessertes Monitoring und Lebensdauerprognosender verschiedenen Werkstoffe und daran angepaßte Wartungsintervalle. DieseForderungen lassen besonders bei der Niederdruckturbine noch ein hohes Einsparpotentialerwarten. Die Niederdruckturbine muß, eventuell über ein Getriebe, die Antriebsleistung desFans, d. h. des Bläsers oder Propellers, bereitstellen. Durch die hohe Anzahl an Stufen ist siefür etwa ein Drittel des Gesamtgewichts eines Triebwerks verantwortlich. Die Beschaufelungist dabei für ca. 30 – 50 % der Kosten dieser Komponente verantwortlich (Ardey et al. 20001