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.
Aktualisiert: 2020-07-08
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Die Auslegung von komplexen technischen Systemen ist ein Prozess, bei welchem Experten verschiedener Disziplinen, Abteilungen oder sogar Firmen sehr eng zusammenarbeiten müssen. Aufgrund der Komplexität oder auch aus politischen Gründen existiert im Allgemeinen eine einzelne System-Analyse nicht und unterschiedliche Subsystem-Analysen müssen in geeigneter Weise gekoppelt werden, um das Verhalten des Gesamtsystems zu bestimmen. Dabei stellt besonders in kooperativen Entwicklungsumgebungen, wenn möglicherweise konkurrierende Firmen zusammenarbeiten müssen, diese Kopplung eine große Herausforderung dar.
Der Fokus dieser Arbeit liegt daher auf der Entwicklung eines effizienten Verfahrens zur Optimierung komplexer Systeme unter besonderer Beachtung eines kooperativen Hintergrundes. Es wird gezeigt, wie Antwortflächen-Verfahren verwendet werden können, um die Subsystem-Optimierungen zu beschleunigen und somit auch zeitaufwändige Analysen im Rahmen einer System-Optimierung einzusetzen. Durch die Analyse bestehender Verfahren wird die generelle Struktur kooperativer Optimierungen verdeutlicht und eine Einordnung des entwickelten ISOC-Verfahrens ermöglicht. Dessen ausführliche Herleitung und Darstellung zeigt die einfache Anpassung der vorhandenen Subsystem-Prozesse und demonstriert die Einbindung in die System-Optimierung. Die Anwendungen auf repräsentative Probleme aus der Triebwerkstechnik zeigen zum Einen die Vorteile paralleler und entkoppelter Optimierungen, und zum Anderen, dass das entwickelte ISOC-Verfahren in der Lage ist, praktische Problemstellungen zu lösen.
Aktualisiert: 2020-12-08
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