Entwicklung von Prozessen und Optimierungsstrategien zur multidisziplinären Auslegung von Hochdruckturbinenschaufeln

Von:

Frank Freidank

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Die Rotorschaufel der ersten Stufe einer Hochdruckturbine ist eines der am stärksten belasteten Bauteile in einem Flugzeugtriebwerk. Dies gilt sowohl für die strukturellen als auch thermalen Lasten. An der Auslegung dieser Komponente sind mehrere Disziplinen beteiligt: Aerodynamik, Kühlung, Struktur- und Lebensdauerberechnung. In dieser Arbeit werden verschiedene Teilgebiete der Rotorschaufel betrachtet. Hierzu werden bestehende Arbeitsprozesse aufgegriffen und weiterentwickelt. Daraufhin werden unterschiedliche Optimierungen durchgeführt. Dazu gehört die Schaufel-Scheibe-Verbindung, die maßgeblich die Drehzahl der Hochdruckwelle begrenzt. Gegenstand der Untersuchung ist der Einfluss der Geometrieparametrisierung auf den gesamten Auslegungsprozess. Zielgröße der Optimierungen ist eine gleichmäßige Spannungsverteilung innerhalb kritischer Regionen. Kernthema dieser Arbeit ist die Auslegung der Kühlung der Rotorschaufel. Es werden geometrische Parameter der Filmkühlbohrungen und Turbulatoren einer vorliegenden Kühlungskonfiguration variiert. Zielgrößen der Optimierungen sind möglichst geringe Oberflächentemperaturen auf der Schaufel bei gleichzeitig geringem Kühlungsmassenstrom. Mehrere Algorithmen und Formulierungen werden dabei miteinander verglichen. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Verwendung von Antwortflächen zur Beschleunigung der Auslegung. Hierbei steht die Vertrauenswürdigkeit der dazugehörigen Methoden im Vordergrund. Dies umfasst die Antwortflächenerstellung und deren Qualitätsbewertung. An dieser Stelle wird eine gleichzeitige Mehr-Ziel- und Robustheitsoptimierung der Spannungs- und Lebensdauerberechnung der Rotorschaufel durchgeführt.