Geometrieparametrisierungen für die aerodynamische Optimierung von Verdichterschaufelsektionen unter besonderer Berücksichtigung der Krümmung

Geometry parameterizations for the aerodynamical optimization of compressor blade sections considering curvature

  • Auf dem Gebiet der Prozessintegration und automatisierten Optimierung von Bauteilen nimmt die Triebwerksindustrie eine Vorreiterrolle ein. Insbesondere die aerodynamische Optimierung von Triebwerksschaufeln kann, dank umfangreicher Forschungs- und Entwicklungsarbeit, seit einiger Zeit als Stand der Technik bezeichnet werden. Auf diese Art ist es möglich, trotz kürzer werdender Entwicklungszeiten immer effizientere Schaufeln zu entwerfen, die ihren Beitrag zur notwendigen Reduktion der im Triebwerk produzierten CO2-Emission liefern. Ein wichtiger Schritt beim Schaufelentwurf ist die automatisierte Mehrkriterien-Optimierung einzelner Schaufelsektionen. Hierfür sind geeignete Profilparametrisierungen notwendig, die einerseits genügend Entwurfsfreiheiten bieten, andererseits ohne manuelle Nachbearbeitung sinnvolle Profile liefern. In der vorliegenden Arbeit werden daher drei grundsätzlich verschiedene Möglichkeiten zur automatisierten parametrischen Schaufelprofilerzeugung entwickelt. Im Unterschied zu den meisten bisher vorhandenenAuf dem Gebiet der Prozessintegration und automatisierten Optimierung von Bauteilen nimmt die Triebwerksindustrie eine Vorreiterrolle ein. Insbesondere die aerodynamische Optimierung von Triebwerksschaufeln kann, dank umfangreicher Forschungs- und Entwicklungsarbeit, seit einiger Zeit als Stand der Technik bezeichnet werden. Auf diese Art ist es möglich, trotz kürzer werdender Entwicklungszeiten immer effizientere Schaufeln zu entwerfen, die ihren Beitrag zur notwendigen Reduktion der im Triebwerk produzierten CO2-Emission liefern. Ein wichtiger Schritt beim Schaufelentwurf ist die automatisierte Mehrkriterien-Optimierung einzelner Schaufelsektionen. Hierfür sind geeignete Profilparametrisierungen notwendig, die einerseits genügend Entwurfsfreiheiten bieten, andererseits ohne manuelle Nachbearbeitung sinnvolle Profile liefern. In der vorliegenden Arbeit werden daher drei grundsätzlich verschiedene Möglichkeiten zur automatisierten parametrischen Schaufelprofilerzeugung entwickelt. Im Unterschied zu den meisten bisher vorhandenen Parametrisierungen ist allen drei Methoden gemein, dass die entstandenen Profile stets krümmungsstetig sind. Lediglich beim Übergang zur kreisförmigen Hinterkante wird Tangentenstetigkeit als ausreichend angesehen. Durch diese Vorgehensweise können, anders als vorher, sehr günstige Geschwindigkeitsverläufe an Saug- und Druckseite ohne Überhöhungen an der Vorderkante erreicht werden. Innerhalb eines auf einem Hochleistungs-Rechen-Cluster parallelisierten Mehrkriterien-Optimierungsprozesses, in dem beispielhaft der Mittelschnitt eines Stators einer Hochdruckverdichterstufe aerodynamisch optimiert wird, werden die drei Methoden anschließend miteinander verglichen. Es kann gezeigt werden, dass alle drei Parametrisierungen zu Profilen führen, die bezüglich ihrer aerodynamischen Verluste deutlich besser sind als ein manuell entworfenes Referenzprofil.show moreshow less
  • In the field of process integration and automized optimization of engineering parts the flight engine industry can be recognized as a technology leader. Based on substantial research and developement efforts, especially the arodynamical optimization of engine blades can be regarded as state-of-the-art now. This way it is possible to design more efficient blades in shorter developement time which helps to lower CO2 emissions of the engine. An important step within the blade design process is the automized multi-criteria optimization of single blade sections. Therefore, useful section parameterization is neccessary allowing to explore a wide design space on the one hand, but yielding reasonable blade sections without the need of manual after treatment. Three different possibilities for automized blade section generation are developed in this thesis. In contrast to most of the prior publications these parameterizations generate curvature continuous sections. Only for the blending of the trailing edge circle to the suction and pressureIn the field of process integration and automized optimization of engineering parts the flight engine industry can be recognized as a technology leader. Based on substantial research and developement efforts, especially the arodynamical optimization of engine blades can be regarded as state-of-the-art now. This way it is possible to design more efficient blades in shorter developement time which helps to lower CO2 emissions of the engine. An important step within the blade design process is the automized multi-criteria optimization of single blade sections. Therefore, useful section parameterization is neccessary allowing to explore a wide design space on the one hand, but yielding reasonable blade sections without the need of manual after treatment. Three different possibilities for automized blade section generation are developed in this thesis. In contrast to most of the prior publications these parameterizations generate curvature continuous sections. Only for the blending of the trailing edge circle to the suction and pressure side, respectively, tangential continuity is regarded as sufficient for proper aerodynamical behavior. This way, advantageous velocity profiles without any spikes on either section side of the leading edge are achieved. The three methods are tested and compared to each other within a multi-criteria optimization process running in parallel on a high performance computing cluster. For the example of a mid-section of a high pressure compressor stator it can be shown that all three parameterizations yield profiles which dominate a manually optimized reference profile in both optimization criteria, efficiency for design and off-design operation conditions.show moreshow less

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Metadaten
Author: Sommer, Lars
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus-23640
ISBN:978-3-8440-0743-5
Referee / Advisor:NUST Bestle, Dieter Prof. Dr.-Ing. habil. hon. Prof.
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2011
Date of final exam:2011/08/22
Release Date:2012/02/20
Tag:Optimierung; Parametrisierung; Prozessintegration; Rolling-Ball-Algorithmus; Verdichterschaufelentwurf
Compressor blade design; Optimization; Parameterization; Prozess integration; Rolling-ball-algorithm
GND Keyword:Aerodynamik; Mehrkriterielle Optimierung; Propfan; Radschaufel; Verdichter
Institutes:Fakultät 3 Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme / FG Technische Mechanik und Fahrzeugdynamik
Institution name at the time of publication:Fakultät für Maschinenbau, Elektrotechnik und Wirtschaftsingenieurwesen (eBTU) / LS Technische Mechanik und Fahrzeugdynamik
Other Notes:Dissertation ist erschienen im: Shaker Verlag