Multidisziplinäre aerodynamisch-mechanische Auslegung und Optimierung von Verdichterbeschaufelungen

Transkript

1 Multidisziplinäre aerodynamisch-mechanische Auslegung und Optimierung von Verdichterbeschaufelungen Eberhard Nicke, Ulrich Siller, Christian Voß, Marcel Aulich, Frank Kocian Werkstoffkolloquium 2009, Köln, den

2 Inhalt: Motivation Multidisziplinäre Verdichterauslegung Anforderungen Designsystem Automatisierte Optimierung Anwendungsbeispiel AeroLight-Rotor Zusammenfassung / Ausblick

3 Motivation: Gasturbinenforschung im DLR Reduktion: des Brennstoffverbrauches, des Gewichtes des Schadstoffausstoßes und der Schallemmission des Flugtriebwerkes und der stationären Gasturbine

4 Motivation: ACARE Entwicklungsziele bis 2020 ACARE 2020 Objectives (Reference: 2000 EIS Aircraft) Reduced perceived noise by half (10 EPNdB) Reduce NO x by 80% Reduce CO 2 by 50% Acceptable Cost ACARE 2020 Objectives - Engine Contributions Reduced perceived noise by 6 EPNdB at each certification point Reduce NO x by 80% Reduce CO 2 by 20% Acceptable Cost

5 Inhalt: Motivation Multidisziplinäre Verdichterauslegung Motivation / Anforderungen Designsystem Automatisierte Optimierung Anwendungsbeispiel AeroLight-Rotor Zusammenfassung / Ausblick

6 Anforderungen an zukünftige Verdichter Leistung: hoher Wirkungsgrad niedrige Emissionen (Abgas, Lärm) Maximierung Leistung / Bauraum hohes Stufendruckverhältnis Leistung / Masse + neue Werkstoffe maximale Ausnutzung des Werkstoffpotentials, Annäherung an physikalische Grenzen Sicherheit: Vogelschlag / Fremdkörper / Erosion Containment der Beschaufelung Hohe Zuverlässigkeit stabile Wellendynamik und stabiler Wärmehaushalt Aerodynamische Stabilität Kosten: niedrige Herstellungs- und Wartungskosten Vorhersagbare Lebensdauer schnelle Produktentwicklung Umweltfreundliche Produktionsprozesse: Umweltgerechte Auslegung Emissionen / nonpolluting materials Recyclingfähige Materialien und Recycling-Technologien Multidisziplinäre Verdichterauslegung

7 Aerodynamische Verdichterauslegung Reicht nicht mehr aus

8 interdisziplinäres Auslegungssystem Modernste Simulationsverfahren: Vorauslegung: Aerodynamik / Aeroelastik Festigkeitsmechanik: Beschreibung des Strömungskanals Schaufelgenerator Optimierungsverfahren 2D-Verfahren aus der Industrie + DLR TRACE (DLR, Kooperation mit MTU) PERMAS (INTES, enge Kooperation mit BK), Calculix CAD-konform AutoOpti (DLR) Einheitliche Schnittstellen zw den Fachdisziplinen und DLR-Instituten Aeroelastik: TRACE-Nutzung bei AE Leichtbauweisen + Konstruktion: Nutzung des Schaufelgenerators bei BK Auslegungskriterien und Anforderungskatalog Industriestandards: MTU, SNECMA, Siemens,

9 (Automatisierte) Optimierung - Motivation Realisierung neuer Triebwerkskonzepte Erweiterung des Einsatzbereiches von Turbokomponenten Erhöhung des Bypassverhältnisses / Steigerung des Vortriebswirkungsgrades η V Lärmreduktion Maximierung des Wirkungsgrades Verbreiterung des Kennfeldes (Stall margin) Steigerung des Leistungs/Gewichtsverhältnisses Neue unkonventionelle Konzepte und Lösungen für den Ringraumverlauf und die Schaufelform

10 Der Optimierungsalgorithmus Initialisierung / DOE Root-Prozess Slave k Nebeneingang Member k Vererbungsoperatoren Member k Metamodelle Datenbasis Selektion der Eltern Member abspeichern Gütebestimmung Paretorang Prozesskette Zielfunktionen und physikalische Parameter von Member k Berechne Zielfunktionen flowparam/fitness

11 Prozesskette der aerodynamisch-mechanischen Verdichterauslegung Range scaling Blade generator Root-Process # Blade rows # Operating Points Geometric restrictions Grid generator FEM structural analysis FEM Post processing CFD Flowsolver CFD Post processing Calculate Objectives

12 Beschleunigungstechniken Slave k Root-Meta Root-Process Slave 1 Slave n Trainiere k-tes Modell Initialisiere N Metamodelle Loop Versand Loop Empfang Mittelung Optimierung auf MM-gemittelt Memberauswahl Nebeneingang Datenbasis Vererbung Selektion der Eltern Einlesen in Datenbank Bestimmung Paretorang Prozesskette Prozesskette 25 % CPU-h 75 % CPU-h

13 Inhalt: Motivation Multidisziplinäre Verdichterauslegung Motivation / Anforderungen Designsystem Automatisierte Optimierung Anwendungsbeispiel AeroLight-Rotor Zusammenfassung / Ausblick

14 Auslegungsziele: Hochbelastete transsonische Niederdruckverdichterstufe in neuer Bauweise Aerodynamische Ziele: Auslegung für alle typischen Betriebsbedingungen (Massenstrom, Stufendruckverhältnis, Wirkungsgrad) Sicherer Betrieb mit ausreichend Abstand zur Stabilitätsgrenze Mehrbetriebspunkt-Optimierung Mechanische Ziele: Spannungsverteilung im Schaufelblatt und an der Schaufelanbindung Eigenfrequenzen mit ausreichendem Abstand zu möglichen Anregungen (Engineorder) Maximale Ausnutzung des Werkstoffes

15 Mehrbetriebspunktoptimierung Maximiere η Mindestanforderung Π tot Massenstromziel

16 Mechanische statische Spannungen im Rotor-Schaufelblatt Mehrzonenmodell zur optimalen Werkstoffausnutzung (hier noch monolithische Werkstoffdaten ohne Fügeflächen) Mit spezifische Spannungskriterien pro Zone: Inneres Schaufelblatt Blade : Vorderkante LE : Sicherheitsabstand bezüglich Fremdkörpereinwirkung (Erosion, Vogelschlag) Hinterkante TE : Druckbelastung Schaufelfuß / Scheibenanbindung Fillet : Kerbwirkung / Spannungskonzentration

17 Schwingungsverhalten des Rotorblattes Tailoring der Eigenmodenfrequenzen: Kreuzungspunkte von Betriebsdrehzahl(en) Eigenfrequenzen und Drehzahlordnungen (Engineorder) vermeiden; Frequenz Hz nur schmales Intervall der Eigenfrequenzen 600 erlaubt Generisches Beispiel Betriebsdrehzahlen EO5 EO4 EO3 EO2 EO Drehzahl 1/s

18 Parametrisierung des Rechenbereiches Strömungskanal Schaufelposition im Strömungskanal Schaufel

19 Parametrisierung des Rechenbereiches Anz der Parameter Strömungskanal x * 10 Schaufelposition im Strömungskanal y * 10 Schaufel n * z * 25; n Anzahl der Schaufelreihen z Anzahl der Schaufelschnitte / Reihe Pro Stufe bis zu Optimierung (Rotor + Stator): gewählt ~ 230 Rotor-Optimierung gewählt ~ 120

20 Optimierungsstrategie (1): Optimierungsziele: Abweichung vom Spannungslimit Straffunktion für die Abweichung von zulässigen Eigenwerten Straffunktion für den Massenstrom auf der Arbeitslinie Deviation ziel AbweichungvomZielwert Null 1 Etappe: 2 Etappe: Zeitskala

21 Optimierungsstrategie (2): Optimierungsziele: Abweichung vom Spannungslimit Straffunktion für die Eigenwerte Straffunktion für Massenstrom auf der Arbeitslinie Deviation Null Steigerung der aerodynamischen Performance ==>2 Etappe: Steigerung der aerodynamischen Performance Zeitskala

22 Optimierungsstrategie (3): Optimierungsziele: Steigerung der aerodynamischen Performance Abstand zur Stabilitätsgrenze Wirkungsgrad auf der Arbeitslinie

23 Ergebnis (Aerodynamik): Ergebnis (Mechanik):

24 Inhalt: Motivation Multidisziplinäre Verdichterauslegung Motivation / Anforderungen Designsystem Automatisierte Optimierung Anwendungsbeispiel AeroLight-Rotor Zusammenfassung / Ausblick

25 Zusammenfassung / Ausblick: Multidisziplinäre Auslegung und Optimierung einer hochbelastete transsonische Niederdruckverdichterstufe in neuer Bauweise Aerodynamische + mechanische Ziele Mehrpunktoptimierung Ausblick: Aeroelastische Ziele (Fluttern) in die Prozesskette aufnehmen Erweiterung des Anwendungsbereiches Weiterentwicklung der Optimierungsstrategien (z B durch Anwendung adjungierter Simulationsverfahren) Bessere Auswertetechniken (es werden fast Terabyte produziert) Finden neuer unkonventioneller Lösungen / Annähern an physikalische Grenzen Verkürzung der Auslegungszeit Aussage über die Robustheit

26 Danke für f r Ihre Aufmerksamkeit!