Methoden für die beschleunigte aerodynamische Optimierung von Turbinenschaufeln

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Philipp Amtsfeld

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Ziele der Flugtriebwerksentwicklung sind u.a. die Auslegung von noch effizienteren Triebwerken und die Reduktion des Aufwands dafür. Durch automatisierte Entwurfsprozesse kann beides erreicht werden. In dieser Arbeit werden solche Prozesse für den aerodynamischen Turbinenschaufelentwurf als Teilaufgabe des Gesamttriebwerksentwurfs betrachtet und Methoden für die schnelle aerodynamische 2D- und 3D-Optimierung von Turbinenschaufeln in einem industriellen Umfeld untersucht. Dazu werden die betrachteten Entwurfsaufgaben als nichtlineare Optimierungsprobleme aufgefasst. Es werden parametrische Modelle der Geometrie sowie automatisierte Entwurfsevaluationen entwickelt. Diese werden mit vorhandenen Methoden aus verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen zu automatisierten Optimierungsprozessen kombiniert. Eine Entwurfsaufgabe ist die aerodynamische Auslegung einer Schaufelsektion. Dafür werden die industriellen Entwurfsanforderungen formalisiert und ein automatisierter Entwurfsprozess entwickelt, welcher dieselben zertifizierten Programme wie beim manuellen Entwurf verwendet. Hiermit kann der Profilentwurf schnell und mit wenig manuellem Aufwand erfolgen und führt zu deutlich verbesserten Profilen. Bei der aerodynamischen 3D-Optimierung einer Turbinenschaufel zeigt sich, dass aufgrund der höheren Komplexität weitere Verbesserungen erforderlich sind. 3D-Strömungssimulationen werden mit einem GPU-Strömungslöser beschleunigt. Mit einer Methode zur Reduktion der Entwurfsvariablen werden die einflussreichsten identifiziert und damit das Optimierungsproblem vereinfacht. Außerdem wird ein stärker auf das Optimierungsproblem spezialisierter Optimierer verwendet. Somit gelingt auch für den 3D-Turbinenschaufelentwurf ein erfolgreicher Optimierungsprozess.