AUTOMATISIERTE OPTIMIERUNG EINER TURBINENSCHAUFELGEOMETRIE UND ANALYSE DES STRÖMUNGSFELDES HINSICHTLICH INSTATIONÄRER EFFEKTE

Abstract

In der vorliegenden Diplomarbeit wird die aerodynamische Optimierung des Rotorgitters eine Hochdruckturbinenstufe beschrieben. Die Optimierung basiert dabei auf numerischen Berechnungen des Strömungsfeldes mithilfe der Reynolds-gemittelten Navier-Stokes Gleichungen (RANS). Auf Grundlage einer Literaturrecherche zum Thema Kavitätsströmung wird die verwendete Turbinenstufe mit einer Kavität zwischen Stator und Rotor modelliert. Übereinstimmungen zwischen den in der Literatur beschriebenen Phänomenen der Kavitätsströmungen und den Berechnungen werden gezeigt. Im Vorfeld der Optimierung werden Studien zu den Themen Netzunabhängigkeit, Einfluss der Rotorschaufelanzahl, Einfluss eines Fillets sowie der Einfluss der axialen Position der Mischungsebene durchgeführt und ausgewertet. Stationäre sowie instationäre Berechnung der Ausgangskonfiguration dienen als Basis für die Optimierung. Die Optimierung wird mithilfe einer Evolutionsstrategie unterstützt von Metamodellen und mit dem Ziel der Steigerung des isentropen Turbinenwirkungsgrades durchgeführt. Dabei wird die Geometrie der Rotorschaufeln sowohl hinsichtlich der Profilform als auch hinsichtlich der radialen Fädelung modifiziert. Im Vergleich zwischen Ausgangkonfiguration und optimierter Lösung zeigt sich eine deutliche Verbesserung des isentropen Wirkungsgrades der Turbine. Der Zusammenhang zwischen der Geometrieänderung und den aerodynamischen Verbesserungen wird aufgezeigt. Mit zusätzlichen instationären Nachrechnungen kann gezeigt werden, dass die mithilfe von stationären Rechnungen durchgeführte Optimierung auch instationär zu deutlichen aerodynamischen Verbesserungen führt.