LUFO IV: Verdichterauslegung nach Robustheits- und Kostenaspekten
Projektleiter: | Prof. Dr.-Ing. Konrad Vogeler |
Bearbeiter: | Dipl.-Ing. Alexander Lange |
Wissenschaftliche Kooperation: | LUFO IV |
Finanzierung: | BMWi, Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG |
Bearbeitungszeitraum: | 01/07 - 03/10 |
Beschreibung:
Ziel des Vorhabens „Verdichterauslegung nach Robustheits- und Kostenaspekten“ ist es die Fertigungstoleranzen von Verdichterschaufeln quantitativ zu erfassen, in eine parameterbasierte Beschreibung zu überführen und unter Verwendung von numerischen Simulationen ihren Einfluss auf die aerodynamische Performance des gesamten Verdichters zu bestimmen.
Im Rahmen des Projektes werden Laufschaufeln des Rotor 3, 6 und 9 aus dem Hochdruckverdichter des Rolls-Royce Triebwerks BR 710 mittels Streifenprojektionsverfahren optisch gescannt. Dies geschieht mit dem Scansystem Kolibri Flex der Firma IVB aus Jena. Die Auswertung erfolgt mit einem am Institut entwickelten Algorithmus, der auf rotationssymmetrischen Schnittebenen die Profilparameter der gescannten Schaufeln bestimmt. Hierzu werden die Profile zurückgeführt auf Skelett- und Sehnenlinie woraus die Zerlegung in Dicken- und Wölbungsverteilung abgeleitet wird. Als Parameter können ingenieurtechnische Größen wie z.B. Sehnenlänge, Staffelungswinkel, Dicke von Vorder- und Hinterkante, maximale Profildicke und Profilwölbung sowie deren Rücklage abgeleitet werden. Stapelungsgesetze ermöglichen im Anschluss das Zusammenführen der Schnitte und gewährleisten somit die parameterbasierte dreidimensionale Beschreibung der Schaufeln. Die gesamte Auswertung erfolgt direkt auf den Punktewolken, eine Flächenrückführung ist daher nicht erforderlich.
Als Ergebnis der Auswertung folgen für jede Laufschaufelreihe die Profilparameter mit ihrem statistischen Charakter (Streuung, Mittelwert, Korrelation zu anderen Parametern). Die Einflüsse der Parameter auf die aerodynamischen Kenngrößen (Profilverlust, Profilumlenkung) werden durch die dreidimensionale numerische Strömungssimulation (CFD-Programm: NUMECA FINE TURBO) mit Hilfe einer Monte-Carlo-Simulation (MCS) ermittelt. Hierzu wird die Geometrie der Verdichterschaufel unter Verwendung des Parametermodells variiert (Morphing), wobei die Differenzen der gescannten Parameter zur CAD-Geometrie auf die CFD-Geometrie überlagert werden. Somit ist es möglich, die bei den Schaufeln gemessenen Streuungen direkt in die Welt der numerischen Strömungsmechanik zu übertragen und zwar ohne die Zwischenstation der Flächenrückführung und ohne zeitaufwendige Neuvernetzung des Rechengebietes.
Die so erzeugte Realisierung entspricht nicht 1:1 einer gescannten Schaufel, vielmehr gilt, dass alle Realisierungen der MCS der Statistik aller gescannten Schaufeln genügen, d.h. hinsichtlich Mittelwert, Streuung und Korrelationen der Profilparameter untereinander entsprechen. Mit diesem Ansatz ist es möglich beliebig viele Realisierungen zu erzeugen und die MCS z.B. an einem Viertelkreis mit ca. 15 Schaufeln durchzuführen. In diesem Zusammenhang gewinnt der Ansatz des Morphing an Bedeutung, womit individuelle Schaufeln in dem CFD-Netz des Viertelkreises abgebildet und somit der Einfluss weiterer Effekte, wie z.B. die Aufweitung bzw. die Verengung des Strömungsquerschnittes ermittelt werden kann.
Um die fertigungsbedingten Streuungen der Kennwerte des gesamten Verdichters zu bestimmen, werden S2- oder THROUGHFLOW-Rechnungen durchgeführt. Die bei den vorangegangenen 3D-CFD-Rechnugnen einer Schaufel berechneten Korrelationen zwischen den Profilparametern und den aerodynamischen Kenngrößen definieren hierbei die Randbedingungen der S2-Simulation.
Als Ergebnis des Projektes verspricht man sich durch Auswertung der Sensitivitätsanalyse Kenntnis darüber zu gewinnen, welche Profilparameter besonders großen Einfluss auf die Performance des Verdichters haben und welche nicht. Interessant wird dies für die Fertigungs- und die Qualitätssicherung. Hier können Toleranzen der Parameter verkleinert werden, wenn ihr Einfluss entscheidend oder vergrößert werden, wenn ihr Einfluss gering ist. Gegebenenfalls sind, durch Reduktion der Qualitätssicherungsmaßnahmen wenig einflussreicher Parameter, Kosteneinsparungen möglich.
Eine Bewertung des Designs hinsichtlich Robustheit ist mit dem entwickelten Modell ebenfalls möglich. So kann analysiert werden, welchen Performanceverlust die Parameter innerhalb ihrer fertigungsbedingten Streubreite hervorrufen. Ist die Änderung der Ergebnisgröße (z.B. Wirkungsgrad) bei Berücksichtigung der streuenden Eingangsdaten (Profilparameter) gering, so spricht man von einem robusten Design.