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Surface variations are an unavoidable byproduct of any manufacturing process and may lead to deviating part performance and even elevated part rejection rates. Because traditional computer aided-design approaches are aimed towards production of idealized, nominal geometric shapes, the wide geometric-and statistical-variability typical for any manufacturing process remains unrepresented and is frequently ignored during design. Thus, the present work aims at a more realistic design approach and, therefore, develops a collection of computer-aided design strategies for accurate representation, statistical analysis and prospective estimation of surface deviations with validation examples on aero engine turbine blades.
The CAD representation of real manufactured surfaces requires the ability to accurately recreate complex geometric shapes. This is achieved by automated re-parametrization of any CAD face of interest as B-spline surface with a rather dense control point grid. Face matching to scanned manufactured samples is then performed by calculating control point displacements, which successfully deliver surface representation errors below typical measurement uncertainties on multiple matching examples from turbine shank and hot-gas faces. Since inference of performance variability due to manufacturing is usually limited by the amount of scanned manufactured parts, a probabilistic model is formulated based on singular-value decomposition of control point displacements and identification of dominant manufacturing modes. This allows generation of an infinite set of synthetic deviating surfaces faithful to experimental deviation patterns.
Nominal geometric features may significantly differ between design iterations and manufacturing modes may not necessarily be transferable between different designs. Thus, deviation estimation may remain infeasible before manufacturing. To enable deviation estimation during the design phase, the present work proposes a machine learning strategy to identify deviation patterns explained by nominal geometric properties-such as relative position and local orientation-and use them for deviation estimation on new designs. This strategy is able to predict realistic stress variability induced by shank deviations of a turbine blade design using only surface deviation information from three given designs, which encourages machine-learning approaches as valuable tool for geometric deviation estimation as part of robust design.
Die vorliegende Bachelorarbeit analysiert systematisch die Einflüsse zweier Verstimmungseffekte auf das lineare Schwingungsverhalten von Turbinenlaufstufen am Beispiel zweier FE-Modelle. Zum einen wird der Einfluss der geometrischen Verstimmung anhand der probabilistischen Modellierung der Elastizitätsmodule pro Schaufel analysiert. Zum anderen wird der Einfluss einer linearen Approximation der Kontaktverstimmung analysiert. Dazu wird die modale Dämpfung pro Mode probabilistisch modelliert. Zur probabilistischen Modellierung kommen mehrere ausgewählte Wahrscheinlichkeitsverteilungen zum Einsatz.
Bei der Auswertung der FE-Simulationen wird zwischen geometrischer Verstimmung und gleichbleibender modaler Dämpfung sowie geometrischer Verstimmung und gleichzeitiger Variation der Dämpfung unterschieden. Im ersten Fall ergeben sich bis zu doppelte Amplituden im Vergleich zum unverstimmten Modell. Der Einfluss der zusätzlichen Dämpfungsverstimmung ist in den durchgeführten Simulationen deutlich größer als bei realen Messungen und führt bis zu einer 3,3-fachen maximalen Amplitude. Aufgrund dessen zeigt sich, dass der verwendete Ansatz der linearen Modellierung der Dämpfung nur bedingt anwendbar ist.
Darüber hinaus wird eine Methode zur Ermittlung der äquivalenten linearen Dämpfung anhand transienter Analysen für verstimmte Turbinenlaufstufen numerisch validiert. Die Grundidee ist die Bestimmung der linearen Dämpfung aus dem Verhältnis der Mittelwerte der Amplituden bei einer niedrigen und einer hohen Beschleunigungsrate. Die anhand der Methode bestimmte Dämpfung zeigt eine Abweichung im Bereich von maximal 10% im Vergleich zur tatsächlichen Dämpfung.
Ergänzend findet ein Vergleich der Ergebnisse der Finite Elemente Analyse und eines Reduced Order Codes auf Grundlage der Craig-Bampton Methode statt sowie der Vergleich zwischen zwei Sampling-Methoden, dem Simple Random Sampling und dem Latin Hypercube Sampling.
Filmkühlung in Gebieten mit verzögerter Hauptströmung und in Bereichen lokaler Strömungsablösung
(2004)
Turbinenschaufeln neuzeitiger Gasturbinen sind in den ersten Stufen in hohem Maße Filmgekühlt, um den sehr hohen Turbineneintrittstemperaturen zu widerstehen. Gleichzeitig gehen die Bestrebungen dahin, in der einzelnen Stufe mit einer möglichst geringen Anzahl von Turbinenschaufeln die Arbeitsumsetzung zu erhöhen. Infolge dieser Optimierung ergeben sich an der Turbinenschaufeloberfläche zunehmend Gebiete mit verzögerter Hauptströmung, welche mittels Filmkühlung zu kühlen sind. Weiterhin steigt die Gefahr der Strömungsablösung am Turbinenschaufelprofil, deren Interaktion mit der notwendigen Filmkühlung zu klären ist. Zu klären ist, inwiefern die Bauteilkühlung bei lokaler Strömungsablösung mit der Filmkühlung beherrschbar ist. Ziel dieser Arbeit ist die grundlegende Untersuchung und Bewertung der Filmkühlung in Gebieten mit verzögerter Hauptströmung und der Filmkühlung in Bereichen mit lokaler Strömungsablösung. Die Untersuchungen werden für die Filmkühlung aus einer Reihe von Kühlluftbohrungen durchgeführt. Diesbezüglich sind sie im typisch Reynoldszahlbereich der Turbinenschaufeln neuzeitiger Gasturbinen dimensioniert. Da bei der Filmkühlung durch den Kühlluftstrahl, der in die heiße Hauptströmung eintritt, eine stark anisotrope Turbulenzstruktur zu erwarten ist, werden diese grundlegenden Untersuchungen experimentell durchgeführt. Die Versuchsergebnisse können sodann zur Validierung numerischer Strömungslöser herangezogen werden, auch wenn diese die Turbulenz isotrop simulieren. Mit dem Ammoniak-Diazo-Verfahren mit Online-Kalibrierung wird ein hochauflösendes flächiges Messverfahren zur Bestimmung der adiabaten Filmkühleffektivität weiterentwickelt und vorgestellt. Sehr detaillierte Untersuchungen der adiabaten Filmkühleffektivität werden zur Filmkühlung bei verzögerter Hauptströmung und bei lokaler Strömungsablösung wiedergegeben. Ergänzt werden diese Untersuchungen durch umfangreiche Strömungsfelduntersuchungen mit der 2D- und 3D Laser Particle Image Velocimetry (PIV) und der Hitzdrahtanemometrie. Für die finanzielle Unterstützung zum Aufbau und zur Durchführung der Forschungstätigkeit an der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus danke ich dem Land Brandenburg und der Bundesrepublik Deutschland sowie den Firmen Rolls-Royce Deutschland Ltd., MTU Aero Engines GmbH, Siemens AG und Alstom Schweiz AG (ehemals ABB Kraftwerke).