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 mittlerweileGebühren bei Überschreitung zulässiger Höchstgrenzen für die Lärmemissionen festgesetztworden. Die Triebwerkshersteller versuchen, diesen Forderungen nachzukommen. Ihr Ziel istes deswegen, entsprechend dem Anforderungskatalog leichte, kostengünstige Triebwerke mithohem Wirkungsgrad zu produzieren, um als Wettbewerber am Markt bestehen zu können.Eine Steigerung des thermischen Wirkungsgrads läßt sich durch eine Erhöhung der TurbineneintrittsbedingungenDruck und Temperatur erreichen, um die Divergenz der Isobaren im Enthalpie-Entropie-Diagrammeffizienter auszunutzen (Traupel 1988 [72]). Durch moderneKühlkonzepte können die Turbineneintrittstemperaturen bereits weit über die Schmelztemperaturenheutiger Turbinenwerkstoffe angehoben werden. Ein wünschenswerter größerer Erhöhungsschrittist derzeit nur durch eine bessere Kühlungstechnologie und verbesserteWerkstoffeigenschaften möglich. Ein anderer Ansatz zur Erhöhung der Effizienz der Energieumsetzungbesteht in der Verringerung der aerodynamischen Verluste im Triebwerk. DieserPunkt gewinnt durch die geforderte Reduzierung der Bauteile und die damit verbundene Belastungserhöhungnoch zusätzlich an Bedeutung. In Turbomaschinen gibt es eine Vielzahl vonMechanismen, durch die aerodynamische Verluste entstehen. Ein Überblick über diese Mechanismenwurde von Denton 1993 [13] zusammengestellt. Durch die Erhöhung der Stufenbelastungverstärkt sich die Ausbildung komplexer dreidimensionaler Strömungsphänomene,sogenannter Sekundärströmungen. Diese Sekundärströmungen erhöhen die Verluste der einzelnenSchaufelreihen und ziehen gleichzeitig auch noch eine Inhomogenisierung der Abströmungund dadurch eine Fehlanströmung der nächsten Schaufelreihe nach sich.Sekundärströmungen stellen in modernen Triebwerken etwa ein Drittel 1 der aerodynamischenVerluste dar, siehe Abb. 1.1. Ein Ziel einer aerodynamischen Auslegung ist es, neben derErfüllung der geforderten Enthalpieumsetzung, unter anderem diesen Verlustmechanismen,durch Veränderungen der geometrischen Berandung des Strömungskanals, bestehend ausSchaufelblatt und Seitenwänden, entgegenzuwirken. Bei bisherigen und aktuellen Auslegungsmethodenwird die Geometrie noch meistens durch zweidimensional definierte Schnitte, wiesie in S1 / S2 2 Untersuchungen verwendet werden, definiert. Einen guten Überblick über diegrundlegenden Auslegungskriterien kann den Literaturstellen Hourmouziadis 1989 [38], Fottner1989 [24] und Starken 1989 [69] entnommen werden. Um die verlustintensiven Sekundärströmungseffekteeffektiv reduzieren zu können, muß jedoch die geometrische Form derTurbinengitter und Seitenwände dreidimensional den aerodynamischen Erfordernissen angepaßtwerden, siehe dazu auch Denton 1994 [14]. Der Übergang zu dreidimensional definiertenGeometrien führt zu einer starken Zunahme der die Geometrie beschreibenden Freiheitsgrade1. 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. 3.32