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For many countries, gasturbine technology is one of the key technologies for the reduction of climate-damaging pollutant emissions. The profitability of such facilities, however, is highly dependent on the price for the utilized fossil fuel, which is why there is a constant need for increased efficiency. The potential of increasing the efficiency of the individual components is basically limited by factors which will reduce operating life. The goal of this thesis is to develop methods for improved automated structural design optimization, which shall be developed on the basis of compressor airfoils. Special attention is payed to avoid the excitation of failure critical eigenmodes by detecting them automatically. This is achieved by introducing a method based on self-organizing neural networks which enables the projection of eigenmodes of arbitrary airfoil geometries onto standard surfaces, thereby making them comparable. Another neural network is applied to identify eigenmodes which have been defined as critical for operating life. The failure rate of such classifiers is significantly reduced by introducing a newly developed initialization method based on principle components. A structural optimization is set up which shifts the eigenfrequency bands of critical modes in such a way that the risk of resonance with engine orders is minimized. In order to ensure practical relevance of optimization results, the structural optimization is coupled with an aerodynamic optimization in a combined process. Conformity between the loaded hot-geometry utilized by the aerodynamic design assessment and the unloaded cold-geometry utilized by the structural design assessment is ensured by using loaded-to-unloaded geometry transformation. Therefor an innovative method is introduced which, other than the established time-consuming iterative approach, uses negative density for a direct transformation taking only a few seconds, hence, making it applicable to optimization. Additionally, in order for the optimal designs to be robust against manufacturing variations, a method is developed which allows to assess the maximum production tolerance of a design from which onwards possible design variations are likely to violate design constraints. In contrast to the usually applied failure rate, the production tolerance is a valid requirement for suppliers w.r.t.~expensive parts produced in low-quantity, and therefore is a more suitable optimization objective.
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 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.