Eine Auslegungsmethodik für mehrstufige Axialverdichter auf Basis einer Profildatenbank

Abstract

Mit dem Einsatz mathematischer Optimierungsalgorithmen bei der Auslegung von mehrstufigen Axialverdichtern können erhebliche Verbesserungen von Wirkungsgrad und aerodynamischer Stabilität erzielt werden. Bei der geometrischen Beschreibung mehrerer Stufen wächst der Designraum allerdings schnell auf hunderte Dimensionen an. Dies stellt auch moderne Optimierungsalgorithmen vor Herausforderungen. Ziel dieser Arbeit ist es, eine vielseitige Systematik für Verdichterprofile zu entwickeln und in einen Auslegungsprozess für mehrstufige Axialverdichter zu integrieren. Dadurch wird eine Dimensionsreduktion bei der Verdichteroptimierung erzielt, die eine effiziente Optimierung mehrerer Stufen ermöglicht. Dazu wird eine detaillierte Studie über die optimale Profilform bei variierenden Entwurfsanforderungen durchgeführt. Insgesamt werden sieben Anforderungen systematisch variiert: die geometrischen Größen Staffelungswinkel, Teilungsverhältnis und Profilfläche zusammen mit den aerodynamischen Größen des Auslegungspunktes Zuströmmachzahl, Stromröhrenkontraktion, Reynoldszahl und aerodynamische Belastung. Für über 2000 Entwurfsanforderungen werden Profilgeometrien optimiert, die den Forderungen nach weiten Arbeitsbereichen und geringen Verlusten genügen. Während der Optimierungen wird die Gitterströmung der Profile in mehreren Betriebspunkten mit einem Euler-Grenzschichtverfahren bewertet. Auf der entstandenen Datenbasis werden Methoden aus dem Bereich des maschinellen Lernens angewendet, um die Profilgeometrie und das Betriebsverhalten für neue Entwurfsanforderungen abzuschätzen. Diese funktionalen Zusammenhänge sind die Basis der neuen Profilsystematik, die innerhalb eines Throughflow Verfahrens implementiert sind und einen schnellen Übergang von der Throughflow- in die 3D CFD-Auslegung ermöglichen. Darauf aufbauend wird ein 15-stufiger Gasturbinenverdichter mit Profilen aus der Systematik ausgestattet und dessen axiale und radiale Lastenverteilung optimiert. Durch den Einsatz der Profilsystematik lässt sich der Verdichter mit einer handhabbaren Anzahl an Parametern beschreiben. Hier müssen nur noch zwei Parameter pro Schaufelschnitt festgelegt werden. Zur Absicherung der Ergebnisse wird die ursprüngliche als auch die aktualisierten Auslegungen mit 3D CFD bewertet. Dabei bieten die optimierten Verdichter eine Verbesserung im polytropen Wirkungsgrad von bis zu 0,7% gegenüber der ursprünglichen Auslegung.