Q3D Optimierung vielstufiger Verdichter in der Vorauslegung und Robuste multidisziplinäre Schaufelauslegung

Q3D optimization of multi-stage compressors during the predesign phase and robust multi-disciplinary blade design

  • Abschlusssachbericht zum AG Turbo Verbundforschungsprojekt COOREFLEX-turbo, Teilprojekt 1.3.6 In der industriellen Praxis beginnt die Entwicklung eines neuen Verdichters aufgrund der hohen Systemkomplexität stationärer Gasturbinen typischerweise mit einfachen, eindimensional mittelnden Modellen, mit denen bereits grundsätzliche Festlegungen getroffen werden können, und setzt sich über zweidimensionale Strömungsbetrachtungen fort bis hin zu dreidimensionalen CFD- und FE-Rechnungen. Dies erfordert den Einsatz unterschiedlicher Experten aus verschiedenen Disziplinen der Aerodynamik, Strukturdynamik und Konstruktion, und ist verbunden mit einem hohen Aufwand an manuellem Datenaustausch zwischen den einzelnen Analyseprogrammen sowie einer Abstimmung zwischen den unterschiedlichen Auslegungszielen. Ziel des Forschungsvorhabens war daher die Automatisierung des multidisziplinären und bislang manuell und sequenziell ausgeführten Entwicklungsprozesses für den Verdichter einer stationären Gasturbine beim Industriepartner Alstom. Im Rahmen desAbschlusssachbericht zum AG Turbo Verbundforschungsprojekt COOREFLEX-turbo, Teilprojekt 1.3.6 In der industriellen Praxis beginnt die Entwicklung eines neuen Verdichters aufgrund der hohen Systemkomplexität stationärer Gasturbinen typischerweise mit einfachen, eindimensional mittelnden Modellen, mit denen bereits grundsätzliche Festlegungen getroffen werden können, und setzt sich über zweidimensionale Strömungsbetrachtungen fort bis hin zu dreidimensionalen CFD- und FE-Rechnungen. Dies erfordert den Einsatz unterschiedlicher Experten aus verschiedenen Disziplinen der Aerodynamik, Strukturdynamik und Konstruktion, und ist verbunden mit einem hohen Aufwand an manuellem Datenaustausch zwischen den einzelnen Analyseprogrammen sowie einer Abstimmung zwischen den unterschiedlichen Auslegungszielen. Ziel des Forschungsvorhabens war daher die Automatisierung des multidisziplinären und bislang manuell und sequenziell ausgeführten Entwicklungsprozesses für den Verdichter einer stationären Gasturbine beim Industriepartner Alstom. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden die bereits in vorangegangenen Forschungsprojekten entwickelten Prozesse für die Auslegung von Flugtriebwerken auf die höhere Stufenanzahl von stationären Gasturbinen angepasst und entsprechend erweitert. Für die multidisziplinäre Optimierung von Verdichterschaufeln wurde zunächst ein geeignetes Geometriemodell definiert, welches aerodynamischen und strukturellen Anforderungen Rechnung trägt. Für die aerodynamische Bewertung der Verdichterschaufeln konnte die Q3D Auswertung um eine 3D-CFD Analyse ergänzt werden. Zur strukturdynamischen Analyse wurde ein Verfahren zur automatisierten Identifikation von Eigenformen entwickelt, um Eigenform-abhängige Bewertungen durchführen zu können. Durch die Implementierung von Datenbanken in der Verbindung mit Antwortflächenverfahren konnten die strukturellen und aerodynamischen Auswertungen in hohem Maße parallelisiert und ein effizienter, generischer multidisziplinärer Optimierungsprozess entworfen werden.show moreshow less
  • Due to the high complexity of stationary gas turbine systems, the development of a new compressor in the industrial application typically starts with simple, one-dimensional averaging models, that can be used to determine basic properties, followed by the examination of two-dimensional flow, and finally fully three-dimensional CFD- and FE-calculations. This requires commitment of different experts from the fields of aerodynamics, structural dynamics as well as construction and requires large efforts when manually exchanging data between the different analysis codes and negotiating between the different design goals. Therefore, the goal of this research project was to automate the previously manually and sequentially executed multi-disciplinary design process for the compressor of a stationary gas turbine in cooperation with industry partner Alstom. In the course of this research project, previously developed processes for the design of aero engines could be adapted and extended for the larger number of stages in a stationary gasDue to the high complexity of stationary gas turbine systems, the development of a new compressor in the industrial application typically starts with simple, one-dimensional averaging models, that can be used to determine basic properties, followed by the examination of two-dimensional flow, and finally fully three-dimensional CFD- and FE-calculations. This requires commitment of different experts from the fields of aerodynamics, structural dynamics as well as construction and requires large efforts when manually exchanging data between the different analysis codes and negotiating between the different design goals. Therefore, the goal of this research project was to automate the previously manually and sequentially executed multi-disciplinary design process for the compressor of a stationary gas turbine in cooperation with industry partner Alstom. In the course of this research project, previously developed processes for the design of aero engines could be adapted and extended for the larger number of stages in a stationary gas turbines. For the multi-disciplinary optimization of compressor blades, a suitable geometry model was defined initially, which can account for aerodynamic as well as structural requirements. For the aerodynamic assessment of the compressor blade, the Q3D evaluation could be complemented by a full 3D-CFD analysis. For the structural analysis, a method for automated identification of eigenmodes was developed, in order to carry out eigenmode-specific assessments. By implementing data bases in connection with response surface models, the structural and aerodynamic evaluations could be parallelized to a large degree and an efficient, generic multi-disciplinary optimization process could be developed.show moreshow less

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Metadaten
Author: Bestle, Dieter, Lockan, Michael, Hartwig, Lennard, Martin, Ivo
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-42225
ISBN:978-3-940471-30-7
Document Type:Report
Language:German
Year of Completion:2017
Creating Corporation:Projekt COOREFLEX-turbo, Brandenburgische Technische Universität Cottbus, Lehrstuhl Technische Mechanik und Fahrzeugdynamik
Release Date:2017/07/07
Tag:Aerodynamische Verdichterauslegung; Antwortflächenverfahren; Automatische Modenerkennung; Klassifizierung; Multidisziplinäre Optimierung
Aerodynamic compressor design; Automated mode detection; Classification; Multi-disciplinary optimization; Response surface methods
GND Keyword:Aerodynamik; Gasturbine; Optimierung; Verdichter
Institutes:Fakultät 3 Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme / FG Technische Mechanik und Fahrzeugdynamik
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.