AG TURBO II Projekt: "Probabilisti­sche mechanische Auslegung von Turbinen"

Warum probabilistische Auslegungs-Methoden?

Klassische Turbinenauslegungen werden mit festen, deterministischen Eingangsgrößen in den aerodynamischen, kühlungstechnischen und strukturmechanischen Modellen durchgeführt. Da jedem Berechnungsschritt i.a. konservative Annahmen zugrunde liegen, führt der fortgesetzte Konservatismus zu einer meist überkonservativen Beurteilung der Lebensdauer der Komponenten.
Im Gegensatz dazu wird in probabilistischen Auslegungsmethoden die Streuung signifikanter Eingangsparameter in die Berechnung einbezogen. Dadurch wird nicht nur wie in klassischen Verfahren ein einzelner, konservativer Wert für die Lebensdauer der Komponente ermittelt, sondern eine Lebensdauerverteilung basierend auf den probabilistischen Eingangsgrößen angegeben. Außerdem können über eine Sensitivitätsanalyse lebensdauerkritische Parameter identifiziert und anschließend optimiert werden.

Was soll erforscht werden?

Ziel des Vorhabens ist es, den probabilistischen Charakter bestimmter Parameter im Turbinendesign in den Auslegungs- und Optimierungsprozess einzubeziehen. Dabei sind folgende Teilaufgaben zu bearbeiten:

Auswahl geeigneter probabilistischer Methoden und Software-Tools

• Welche probabilistischen und Sensitivitätsanalyseverfahren stehen zur Verfügung (Monte-Carlo-Simulation, Antwortflächenverfahren, Sensitivitätsanalyse über Rangkorrelationskoeffizienten)?
• Welche Software-Tools sind verfügbar (z.B. Storm, iSight)? Wo sind deren Stärken und Grenzen?

Auswahl geeigneter stochastischer Variablen und Modelle für ihre Beschreibung

• kühlungstechnische Variablen (z.B. hydraulische Modelle für Schaufelkühlung, Wärmeübergangszahlen und Temperaturen)
• Fertigungstoleranzen (z.B. Wandstärkevariation, Variation der Kühlungsgeometrie)
• Variablen in den Materialmodellen (z.B. E-Modul, thermischer Ausdehnungskoeffizient)

Verfahren zur Verbesserung der Effizienz probabilistischer Methoden

• Verfahren zur Reduktion der Anzahl der stochastischen Variablen
• Verfahren zur Reduktion der Anzahl der deterministischen Rechnungen
• Parallelverarbeitung / Supercomputing 

Die Anwendung probabilistischer Methoden setzt ein Erkennen und Modellieren interdisziplinärer Zusammenhänge beim Turbinendesign voraus. Neben den o.g. Herausforderungen ist daher eine integrierte multidisziplinäre Betrachtungsweise des Designprozesses erforderlich. Dies wiederum ist ein entscheidender Schritt in Bezug auf eine interdisziplinäre Gesamtoptimierung der Total Life Cycle Cost der betrachteten Turbinenkomponenten.

Veröffentlichung innerhalb des Projektes:

M.Voigt, K. Vogeler
Probabilistische mechanische Auslegung von Turbinen 
Abschlussbericht zum BMWi Vorhaben 0327091Z

M. Voigt, K. Vogeler, R. Mücke, H. Schlums, K.-H. Becker
Probabilistische Analysen von Turbinenschaufeln 
Tagungsband 9. Statusseminar der Arbeitsgemeinschaft DLR, Köln-Porz, 1./2. Dezember 2004

Matthias Voigt, Roland Mücke, Hartmut Schlums, Konrad Vogeler
Probabilistische Analyse von Turbinenschaufeln unter Berücksichtigung von Geometrieänderungen 
Deutscher Luft- und Raumfarhrtkongress 2004, 20.-23. September 2004, Dresden

Matthias Voigt, Roland Mücke, M. Oevermann, K. Vogeler
Probablistic Lifetime Analysis for Turbine Blades Based on a Combined Direct Monte-Carlo and Respond Surface Approach 
Draft ASME Turbo Expo GT2004-53439, 49th ASME International Gas Turbine & Aeroengine Technical Congress & Exposition, Vienna, Austria, June 14-17, 2004

M. Voigt, R. Mücke, K. Vogeler
Probabilistic Lifetime Assessment of Turbine Blades 
XXXV. Kraftwerkstechnisches Kolloquium: ´Turbomaschinen in Energieanlagen´, Dresden, 23.-24. September 2003

K. Vogeler, M. Voigt, R. Mücke, K.-H. Becker, M. Oevermann
Probabilistische mechanische Auslegung von Turbinen 
Tagungsband 8. Statusseminar der Arbeitsgemeinschaft
DLR, Köln-Porz, 5./6. Dezember 2002