Entwicklung probabilistischer Methoden zur Beschreibung von Nichtlinearitäten innerhalb der Turbomaschinenauslegung
| Projektleiter: | |
| Bearbeiter: | Dipl.-Ing. Ilko Reuter |
| Wissenschaftliche Zusammenarbeit: | AG TURBO COOREFLEX-turbo |
| Finanzierung: |
BMWi, Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG , MTU Aero Engines AG, ALSTOM Power GmbH |
| Laufzeit: | 11/2014 - 10/2017 |
| Förderkennzeichen: | 03ET7041E |
Beschreibung:
An Rotoren und Schaufel-Rotorverbindungen von Industrie- sowie Fluggasturbinen gleichermaßen werden die höchsten Zuverlässigkeitsanforderungen gestellt. Gleichzeitig kommen umwelttechnisch notwendige Herausforderungen zur Energiegewinnung und Effizienzsteigerung der Maschinen hinzu. So sind einerseits das Annähern an Belastungsgrenzen und andererseits das Abdecken breiterer Betriebsbereiche bei gleichbleibender Effizienz zu nennen. Weiterhin entstehen speziell für Industriegasturbinen veränderte Randbedingungen aufgrund von umwelttechnischen Schwankungen im Energieangebot, welche schwer einschätzbare Auswirkungen auf kritische Bauteile haben. Die Forderungen nach minimalen Kosten, Gewicht und kurzen Entwicklungszeiten bei maximaler Flexibilität und Effizienz konkurrieren mit denjenigen nach höchster Zuverläßigkeit. Aus diesem Grunde sind verbesserte Methoden in der Auslegung gefordert, welche eine Beschreibung der jedem System innewohnenden Unbestimmtheit zulassen. Hierfür bilden probabilistische Methoden einen sehr effektiven Ansatz. Mit ihnen ist es möglich, bereits im Auslegungsprozess die Streuung ausgewählter Modellparameter (z.B. geometrische, thermodynamische, mechanische, materialspezifische Parameter) zu berücksichtigen. Mit dieser Auslegungsphilosophie lässt sich das System hinsichtlich deren Sensitivitäten und Robustheit analysieren, Auswirkungen von systemeigenen Unsicherheiten abschätzen und das Systemverhalten in Abhängigkeit definierter Zielfunktionen verbessern.
Obwohl die probabilistischen Methoden seit langem bekannt sind, wird die systematische Anwendung in der industriellen Praxis erst seit einigen Jahren vorangetrieben. Eine Ursache dafür ist, daß sich bei allen probabilistischen Analyseverfahren im Vergleich zu einer klassischen, deterministischen Berechnung durch die Mehrfachausführung der deterministischen Rechnungen ein erhöhter Rechenaufwand ergibt. Dieser Nachteil soll auch in diesem Projekt fokussiert und durch eine effiziente Ergebnisverwertung kompensiert werden. Eine effiziente Bewertung eines Systems hinsichtlich Sensitivitäten, Robustheit und Systemverbesserung ist mit sogenannten Metamodellen möglich. Voraussetzung dafür ist, dass die Metamodelle das Systemverhalten gut widerspiegeln. Dieses Systemverhalten kann innerhalb der Turbomaschinenauslegung stark nichtlinear und nichtmonoton sein. Dieses Verhalten numerisch zu beschreiben, wird die Herausforderung des Vorhabens. Kernpunkte für dieses Vorhaben bilden daher die Weiterentwicklung systembeschreibender Metamodelle und darauf basierend, die effiziente Bewertung des Systems hinsichtlich Sensitivitäten, Robustheit und Systemverbesserung.
Abbildung: Metamodell
Neben der probabilistischen Beschreibung und Bewertung auftretender Nichtlinearitäten, welche beispielsweise mit inelastischen Werkstoffverhalten oder Kontaktanalysen zusammenhängen, soll in diesem Projekt aufgezeigt werden, welche Nichtlinearitäten für ausgewählte industrienahe Anwendungsfälle zu berücksichtigen sind. Dabei sollen Nichtlinearitäten, welche im Vergleich zur Auswirkung der Eingangsgrößenstreuung geringe Auswirkungen haben, unberücksichtigt bleiben. Ziel ist es dabei abzuschätzen, welcher numerische Aufwand sich lohnt und wo größere Aussageverbesserungen ermöglicht werden.
