Aerodynamische Optimierung der 1-stufigen Hochdruckturbine ADTurB

Abstract

In der vorliegenden Diplomarbeit wird eine Optimierung der Laufradschaufel der einstufigen Hochdruckturbine ADTurB durchgeführt. Ziel ist, eine aerodynamisch verbesserte Schaufelform unter Berücksichtigung der Gießbarkeit zu erreichen. Durch die Senkung von aerodynamischen Verlusten, die unter anderem aus Sekundärströmungen resultieren, wird eine Verbesserung der Kennwerte isentroper Turbinenwirkungsgrad und spezifische technische Arbeit der Turbine erreicht. Da die Ausbildung aerodynamischer Verluste stark von der Turbinenschaufelgeometrie abhängt, beziehen sich die Variationen während der Optimierung auf die Schaufelgeometrie. Unter Verwendung der Optimierungssoftware AutoOpti wird die aerodynamische Optimierung für zwei Drehzahlen durchgeführt. AutoOpti benötigt dafür eine automatisierte Prozesskette von Programmen, die von der Geometrieerzeugung über die Strömungsberechnung mit TRACE bis zur Auswertung der Kennwerte reicht. Zunächst erfolgt eine zweidimensionale Optimierung der einzelnen Profilschnitte der Laufradschaufel mit jeweils 26 Optimierungsparametern. Anschließend wird eine ganzheitliche dreidimensionale Optimierung unter Berücksichtigung der Fädelung durchgeführt, wobei 155 Geometrieparameter gleichzeitig verändert werden können. Dabei müssen Restriktionen bezüglich der Geometrie, resultierend aus Gießbarkeitsbedingungen, und des Massenstroms, folgend aus den Prüfstandsgegebenheiten, berücksichtigt werden. Im Vergleich zur dreidimensionalen Optimierung ergibt sich bei der zweidimensionalen Optimierung unter Verwendung der ursprünglichen Fädelung nur eine geringe Verbesserung des Wirkungsgrades. Es liegt sogar eine leichte Verschlechterung der spezifischen technischen Arbeit der Turbine vor. Die Berechnungsergebnisse zeigen, dass die Fädelung ausschlaggebend für die Beeinflussung der Sekundärströmungsverluste ist, da bei der Optimierung der fünf einzelnen Profilschnitte nur Profilverluste berücksichtigt werden können. Unter anderem durch die geschickte Kombination von positiver bzw. negativer Durchbiegung der Fädelachse (bow) und der Fädelungsart sweep, die einer gepfeilten Hinterkante entspricht, ist eine Verbesserung des isentropen Turbinenwirkungsgrades von 1,12PP und der spezifischen technischen Arbeit der Turbine von 0,74% möglich.