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Formoptimierung von Verdichter- und Turbinenschaufeln

Interdisziplinäres Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen (IWR)
an der Universität Heidelberg
Juni, 1996 bis Juli, 1999

Publikationen

Ziel des Projektes war es, zur Reduzierung der immensen Kosten für das Auffinden effizienter und stabiler Konfigurationen beim Entwurf von Turbinen- und Verdichterschaufeln beizutragen. Zu diesem Zweck entwickelten wir eine sehr schnelle Optimierungssoftware für einen der Kernschritte des Auslegungsprozesses, die sogenannte S1-Stromflächenprofilierung. Diese Software hilft dabei, quasi-3D-Schaufeln zu entwerfen, welche Stabilität und Effizienz über den gesamten Betriebsbereich versprechen. Gleichzeitig werden Nebenbedingungen aus aerodynamischen, wärmetechnischen, aeromechanischen, mechanischen und fertigungstechnischen Überlegungen berücksichtigt.

Mathematisch gesehen handelt es sich dabei um ein sogenanntes "Multiple Setpoint" Problem, und zwar gleich in zweierlei Hinsicht. Einerseits muss eine ganze Familie von 2D-Schaufelschnitten mit S1-Stromflächen unter Einhaltung von Quasi-3D-Bedingungen (z. B. das sogenannte "Straken" der Schaufel) optimiert werden, und andererseits muss jedes einzelne Profil an mehreren, vorgegebenen Betriebspunkten (Anströmwinkel und -machzahlen) betrachtet werden. Um dies in schneller und effizienter Weise zu lösen, haben wir die Software OptiMISES entwickelt, welche den Quasi-3D-S1-Stromflächenlöser MISES mittels der folgenden Herangehensweise sehr eng mit den am IWR entwickelten PRSQP-Verfahren zur Optimierung verzahnt:

Dieses Projekt wurde von mir gemeinsam mit Volker Schulz am IWR im Zeitraum vom Juni 1996 bis zum Juni 1999 durchgeführt. Finanziert wurde es durch die ABB Kraftwerke AG, Baden, Schweiz, die MTU Motoren und Turbinen Union GmbH, München und das BMBF unter der Projektnummer 032741A im Rahmen des Forschungsverbundprogramms «Arbeitsgemeinschaft Hochtemperatur-Gasturbine».