Refine
Document Type
- Doctoral thesis (5)
- Report (1)
Has Fulltext
- yes (6)
Is part of the Bibliography
- no (6)
Keywords
- Verdichter (6) (remove)
Beschleunigung der Verdichterkennfeldberechnung mithilfe von Methoden des maschinellen Lernens
(2021)
In der heutigen Triebwerksentwicklung ist die Verwendung komplexer und zeitaufwändiger numerischer Strömungssimulationsverfahren (3D-CFD) unerlässlich. Dies gilt auch und insbesondere für den Bereich der Verdichterkennfeldberechnung, welcher viele zeitintensive 3D-CFD Berechnungen benötigt. Dabei sind zur qualitativen Beurteilung eines Verdichterentwurfs sowohl Betriebspunkte wie, Reiseflug, Start und Landung, hinreichend genau abzubilden, als auch die kritischen, den Verdichterarbeitsbereich limitierenden Betriebsgrenzen Pumpen und Sperren zu detektieren. Bisherige Arbeiten zur automatisierten Verdichterkennfeldberechnung basieren auf strukturierten Berechnungen von verschiedenen Drehzahllinien, auf welchen jeweils isoliert Pump- und Sperrgrenze gesucht werden. Durch die Beschränkung auf einzelne Drehzahlen wird jedoch nicht der gesamte Charakter des Kennfeldes erfasst, so dass unbekannte Betriebsbereiche aus linearer Interpolation abgeleitet werden müssen. Ein zusätzlicher Nachteil solcher auf einzelne Drehzahllinien fixierten Methoden ist ihre geringe Parallelisierbarkeit.
Der Fokus dieser Arbeit liegt daher auf der Entwicklung eines effizienten Verfahrens zur Erfassung des gesamten Verdichterkennfeldes. Die zwei wesentlichen Anforderungen an das Verfahren sind erstens die Reduktion der Anzahl der notwendigen CFD-Berechnungen zur hinreichend genauen Beschreibung des Verdichterkennfeldes sowie zweitens die Beschleunigung jeder einzelnen 3D-CFD-Berechnung. Zu diesem Zweck wird zur Kennfeldberechnung eine Strategie vorgeschlagen, welche sich von der üblichen strukturierten Berechnung einzelner Drehzahllinien löst und stattdessen mit unstrukturierten, zufällig bestimmte Stützstellen arbeitet. Dabei wird ein zweiphasiges Verfahren entwickelt, bei dem zunächst die Pump- und Sperrlinien in ihrer Gesamtheit mit einer iterativen, hoch parallelisierbaren, auf Support-Vector-Machine beruhenden Strategie bestimmt werden. Als nächster Schritt wird mit Methoden der statistischen Versuchsplanung eine ausreichende Dichte von Stützstellen innerhalb der Betriebsgrenzen des Verdichters generiert. Abschließend werden auf Basis aller verwendeten Stützstellen Antwortflächen für Verdichterdruckverhältnis, Wirkungsgrad und Eintrittsmassenstrom aufgebaut.
Zur Reduktion der Rechenzeit jeder einzelnen 3D-CFD Rechnung werden unterschiedliche Methoden zur Erzeugung von Startlösungen betrachtet. In diesem Rahmen werden Initialisierungsansätze aus reduzierten Strömungsmodellen und aus der Superposition von bereits bekannten Strömungslösungen auf Basis der Methode der Proper-Orthogonal-Decomposition (POD) untersucht.
Als Validierung wird abschließend das entwickelte Verfahren zur Kennfeldberechnung in Kombination mit dem POD-Initialisierungsansatz erfolgreich auf die Analyse eines 4.5- stufigen Forschungsverdichters angewendet.
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.
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 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.
The present work presents the aeroelastic analyses of mistuned blisk forced response employing a surrogate lumped mass model with aerodynamic influence coefficients. Prior to these, the state of the art in mistuning analysis is summarised and the theoretical background of the structural as well as the aerodynamical model employed in this work is illustrated. Consequently, the validation of the aeroelastic methods is presented at the example of the compressor like Standard Configuration 10, a standardised test case of an aerofoil vibrating in a cascade, and the aerodynamical model is validated against bidirectionally coupled fluid structure interaction simulations of a 2D compressor rotor model. Finally, the aeroelastic behaviour of a mistuned blisk is analysed featuring measured mistuning patterns and extensive probabilistic analyses of mistuned blisk forced response.
Schaufelschwingungen realer integraler Verdichterräder im Hinblick auf Verstimmung und Lokalisation
(2007)
Im Rahmen der stetigen Weiterentwicklung von Flugtriebwerken, mit dem Ziel umweltfreundlicherer, leistungsfähigerer und hinsichtlich ihres Brennstoffverbrauchs optimierter Gesamteigenschaften, nimmt die integrale Ausführung von Verdichterlaufrädern (Blisk) einen immer größeren Stellenwert ein. Aufgrund der einteiligen Bauweise der Blisks entfallen hierbei die speziell im Falle vorderer Rotoren massiven, konventionellen Schaufelfüße und Scheibenhöcker, was, bedingt durch die hierdurch resultierende Gewichtsreduktion, die Realisation moderner, hochbelasteter Verdichter mit hohen Umfangsgeschwindigkeiten erst ermöglicht. Neben den genannten Vorteilen ist jedoch auch die verschwindend geringe Strukturdämpfung und die besondere Sensitivität bezüglich Fertigungsimperfektionen zu nennen, welche eine örtliche Begrenzung von Schwingformen (Mode-Lokalisierung), begleitet durch ein deutlich erhöhtes Schwingungsniveau, hervorruft. Diese örtlich begrenzte Überhöhung der Schwingantwort verstimmter Blisks kann, in Kombination mit ungünstiger aerodynamischer Anfachungen, zu einem kritischen Anstieg des lebensdauerrelevanten Beanspruchungsniveaus einzelner Schaufeln führen. Die Kenntnis dieser Zusammenhänge bildet somit u. a. die Voraussetzung für die Auswahl geeigneter Schaufeln zur Dehnmessstreifen-Applikation, welche wiederum die Grundlage für ein aussagekräftiges Schwingungsüberwachungssystems darstellt. Diese Arbeit stellt mit Hilfe experimenteller und numerischer Untersuchungsmethoden einen ausführlichen Überblick über die Schwingungserscheinungen integraler Laufrädern dar. Hierbei werden zunächst mit Hilfe komplexer Gesamtmodelle der Rotoren eines Versuchshochdruckverdichters die Grundlagen der Struktureigenschwingungen anhand verschiedener Beispiele veranschaulicht. Aufbauend auf dem Verhalten des unverstimmten, perfekten Design-Modells werden anschließend die Unterschiede im Vergleich zum verstimmten, realen System detailliert erläutert. Nachfolgend werden die Eigenschaften unverstimmter und die Besonderheiten verstimmter Systeme während der erzwungenen Schwingung aufgezeigt, sowie neue Beurteilungsgrößen zur Charakterisierung des Schwingverhaltens vorgestellt und am Beispiel verschiedener Verdichterrotoren illustriert. In Abhängigkeit von den gegebenen Randbedingungen, wie z.B. der individuellen Systemverstimmung, der Schaufelschwingform, der Anfachung, als auch der Dämpfung prägen sich hierbei für die verschiedenen Rotorgeometrien unterschiedlich starke Mode-Lokalisierungen und Schwingungsamplituden aus, wobei sich im Besonderen Schaufeltorsionsmoden, niedrige Erregerordnungen, sowie Moden mit einer hohen Anzahl an Knotendurchmesserlinien als auch Rotoren mit einem ungünstigen Scheiben-Schaufel-Steifigkeitsverhältnis auszeichnen. Ergänzend zum Einfluss der fertigungsbedingten Schaufelverstimmung auf die Rotorunwucht werden die Auswirkungen, welche aus der zusätzlichen Dehnmessstreifen-Instrumentierung resultieren, im Hinblick auf eine Beeinflussung des Schwingverhaltens diskutiert.
Nowadays industrial aerodynamic compressor design is based on mature computer programs developed during several decades. State of the art is to split the complex design process into subsequent design subtasks which are solved by different experts via time-consuming parameter studies. Isolated design of subproblems based on human intuition, however, will result in sub-optimal solutions only. Due to the increasing demand on higher aero engine performance and design cycle time reduction the aspects of process integration and automation as well as numerical optimization become more and more important in today’s aerodynamic compressor design. The intention of this work is to show how process integration and optimization can be used efficiently to support engineering design work in optimal solution finding. Since the aerodynamic compressor design is characterized by many design parameters, multiple constraints and contradicting objectives, multi-objective optimization is used to find Pareto-optimal solutions from which the design engineer can choose trade-offs for his particular design problem. The improvements in terms of process acceleration and design optimization are demonstrated for three selected, but typical industrial engineering design tasks required in three different design phases of the aerodynamic compressor design process, namely preliminary design, throughflow off-design, and blading procedure.