Numerische Optimierung dreidimensional parametrisierter ...
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Numerische Optimierung dreidimensional parametrisierterTurbinenschaufeln mit umfangsunsymmetrischen Plattformen –Entwicklung, Anwendung und ValidierungDie vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Auslegung dreidimensional gestalteter axialerTurbomaschinenbeschaufelungen. Bei heutigen Auslegungen werden sehr hohe Anforderungenan die Turbokomponenten gestellt. Zum einen sollen die Herstellungs- und Wartungskostendurch eine möglichst geringe Bauteilanzahl reduziert werden, die allerdings zu einerhohen Bauteilbelastung führt, und zum anderen sollen die Betriebskosten, und dabei besondersder Treibstoffverbrauch, durch hohe Wirkungsgrade gesenkt werden.Ein Ansatzpunkt stellt die Reduzierung der aerodynamischen Verluste dar. Dabei sind wiederumdie Sekundärströmungen von besonderem Interesse, da sie ca. 30 - 40 % der aerodynamischenGesamtverluste erzeugen. Die Sekundärströmungen sind stark dreidimensionalgeprägte Strömungsvorgänge, deren effiziente Beeinflussung den Einsatz dreidimensionalgestalteter Beschaufelungen mit dazu angepaßten dreidimensionalen Naben- und Gehäusekonturenerfordert. Dies führt zu einer deutlichen Anhebung der Komplexität des aerodynamischenAuslegungsvorgangs, was vor dem Hintergrund des heutigen Kosten- und besondersZeitdiktats zu einem Interessenkonflikt führt.Das Ziel dieser Arbeit war der Aufbau eines automatisierten Auslegungswerkzeugs, das dievollständige dreidimensionale Gestaltung von Schaufelblatt und Plattformen ermöglicht. ZurBewältigung der hohen Parameteranzahl ist die dreidimensionale Auslegungskette mit Hilfeeines numerischen Optimierungsalgorithmus zu einem automatisierten Kreislauf geschlossenworden. Ein wesentlicher Aspekt der Arbeit ist die dreidimensionale Parametrisierung derGeometrie, die in die Module axiale Merdionalkanalmodifikation, dreidimensionale Gestaltungdes Schaufelblatts und eine umfangsunsymmetrische Plattformgestaltung aufgeteiltwurde. Zur Modellierung der dreidimensionalen Strömungseffekte wurde ein dreidimensionalerNavier-Stokes-Strömungslöser mit eingebautem Transitionskriterium eingesetzt. Die Evaluierungder Geometriekonfigurationen erfolgte durch integrale Kennzahlen, nach Kriteriendie aus umfangsgemittelten Größen in der Abströmebene abgeleitet sind und Kennzahlen zurBeurteilung der einzelnen Profilschnitte. Als Optimierungswerkzeug kam ein gradientenbasiertesSQP-Verfahren zum Einsatz.Mit dem Verfahren wurde eine numerische Auslegungsoptimierung auf der Basis des NiederdruckturbinenprofilsT106D mit divergenten Seitenwänden durchgeführt. Zur notwendigenValidierung der Auslegungssystematik wurde das optimierte Gitter T106Dopt im Hochgeschwindigkeits-Gitterwindkanalexperimentell untersucht. Das Auslegungsziel einer deutlichenReduzierung der integralen Verluste und Sekundärströmungsphänomene, bei Einhaltungder vorgegebenen Enthalpieumsetzung, wurde im Rahmen der Optimierung erreicht.
InhaltsverzeichnisAbkürzungen und Bezeichnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IIIAbbildungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI1. Einleitung und Problemstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12. Untersuchungen zu Sekundärströmungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.1 Profilgrenzschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2 Sekundärströmungsphänomene und -modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.3 Beeinflussungsmaßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.4 Ziele der vorliegenden Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293. Geometrische Darstellung und Parametrisierung eines dreidimensional gestaltetenSchaufelprofils mit dazugehörigen Seitenwänden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.1 Definition des Strömungskanals und Bestimmen der Stromlinien . . . . . 333.2 Axiale Seitenwandkonturierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.3 Parametrisierung der Profilschnitte auf Stromlinien . . . . . . . . . . . . . . . 373.4 Parametrisierung des Schaufelblatts aus Schaufelschnitten in radialerRichtung zur Erzeugung einer strakenden Schaufel . . . . . . . . . . . . . . . . 403.5 Geometrische Darstellung einer Umfangskonturierung auf der Seitenwandzwischen Profilvorderkante und Profilhinterkante . . . . . . . . . . . . . . . . . 424. Numerische Strömungslösung und Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444.1 Vernetzung des Strömungsraumes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444.2 Numerische Strömungslösung und Turbulenzmodellierung . . . . . . . . . 454.3 Strömungsauswertung und Bewertung der Geometrie . . . . . . . . . . . . . . 525. Numerische Optimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545.1 Arten von Optimierungsalgorithmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555.2 Auswahl und Anwendung des eingesetzten Optimierungsalgorithmus . 606. Optimierung eines Turbinengitters zur Reduzierung der Sekundärströmungen undVerluste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 656.1 Auslegungsdaten des Turbinengitters T106D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 666.2 Optimierung des Gitters T106D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 697. Versuchsaufbau, Meßwerterfassung und Auswertungsmethoden . . . . . . . . . . . 767.1 Hochgeschwindigkeits-Gitterwindkanal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 767.2 Meßstrecke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 787.3 Instrumentierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79I
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- Seite 16 und 17: lität und Beschleunigung der Konve
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- Seite 20 und 21: estimmt. Durch den geringeren Impul
- Seite 22 und 23: Diese von der idealen Durchströmun
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InhaltsverzeichnisAbkürzungen und Bezeichnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IIIAbbildungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI1. Einleitung und Problemstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12. Untersuchungen zu Sekundärströmungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.1 Profilgrenzschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2 Sekundärströmungsphänomene und -modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.3 Beeinflussungsmaßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.4 Ziele der vorliegenden Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293. Geometrische Darstellung und Parametrisierung eines <strong>dreidimensional</strong> gestaltetenSchaufelprofils mit dazugehörigen Seitenwänden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.1 Definition des Strömungskanals und Bestimmen der Stromlinien . . . . . 333.2 Axiale Seitenwandkonturierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.3 Parametrisierung der Profilschnitte auf Stromlinien . . . . . . . . . . . . . . . 373.4 Parametrisierung des Schaufelblatts aus Schaufelschnitten in radialerRichtung zur Erzeugung einer strakenden Schaufel . . . . . . . . . . . . . . . . 403.5 Geometrische Darstellung einer Umfangskonturierung auf der Seitenwandzwischen Profilvorderkante und Profilhinterkante . . . . . . . . . . . . . . . . . 424. <strong>Numerische</strong> Strömungslösung und Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444.1 Vernetzung des Strömungsraumes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444.2 <strong>Numerische</strong> Strömungslösung und Turbulenzmodellierung . . . . . . . . . 454.3 Strömungsauswertung und Bewertung der Geometrie . . . . . . . . . . . . . . 525. <strong>Numerische</strong> <strong>Optimierung</strong> . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545.1 Arten von <strong>Optimierung</strong>salgorithmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555.2 Auswahl und Anwendung des eingesetzten <strong>Optimierung</strong>salgorithmus . 606. <strong>Optimierung</strong> eines Turbinengitters zur Reduzierung der Sekundärströmungen undVerluste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 656.1 Auslegungsdaten des Turbinengitters T106D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 666.2 <strong>Optimierung</strong> des Gitters T106D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 697. Versuchsaufbau, Meßwerterfassung und Auswertungsmethoden . . . . . . . . . . . 767.1 Hochgeschwindigkeits-Gitterwindkanal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 767.2 Meßstrecke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 787.3 Instrumentierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79I
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