Probabilistische Analysen von Turbinenschaufeln
M. Voigt, K. Vogeler, R. Mücke, H. Schlums, K.-H. Becker
abstract:
Aus Gründen der Sicherheit, Ökologie und Wirtschaftlichkeit werden an moderne Gasturbinen immer höhere Anforderungen gestellt. Dadurch sind die Entwickler dieser Maschinen gezwungen, näher an die Grenzen der Werkstoffbelastung zu gehen. Um dennoch bereits bei der Komponentenentwicklung Aussagen über Betriebssicherheit und Lebensdauer derartiger Strukturen machen zu können, sind Computersimulationen des Beanspruchungsverhaltens unerlässlich.
Traditionell handelt es sich bei diesen Computersimulationen um deterministische Simulationen, bei welchen die Unsicherheiten mit Hilfe von Sicherheitsfaktoren oder konservativen Annahmen in jedem Auslegungsschritt berücksichtigt werden. Die Auswirkungen dieser Sicherheitsfaktoren übersteigen den Einfluss aufwendig simulierter Effekte teilweise um Größenordungen. Außerdem ist es auf Grund der Komplexität der behandelten Strukturen (aerodynamische, kühlungstechnische, werkstoffwissenschaftliche und strukturmechanische Gesichtspunkte) oftmals schwierig zu entscheiden, welche Annahmen in den einzelnen Auslegungsschritten bezüglich des Gesamtverhaltens der zu untersuchenden Struktur wirklich als gesichert gelten künnen.
Genau an dieser Stelle setzt das Vorhaben "Probabilistische mechanische Auslegung von Turbinen" an. Mit Hilfe von probabilistischen Analyseverfahren ist es möglich, die stochastische Natur der maßgeblichen Modellparameter zu berücksichtigen. Dabei wird die Aussagefähigkeit der Analyse von einer deterministischen Punktlösung auf das wahrscheinliche Verhalten des Bauteils unter Betrachtung möglicher Geometrietoleranzen und Belastungsvariationen erweitert. Als Ergebnis erhält man die statistische Verteilung der Ergebnisgrößen. Weiterhin bekommt man wichtige Hinweise zur Sensitivität und Robustheit der Struktur bezüglich der berücksichtigten stochastischen Eingabeparameter. Mit Hilfe der probabilistischen Untersuchungsmethoden kann auf diese Weise numerisch Erfahrungen über das "Verhalten" der Turbinenschaufel schon während der Entwicklungsphase gesammelt werden. Diese Erfahrungen können sonst nur mit Schaufeln in realen Maschinen ermittelt werden.
In diesem Beitrag wird das Vorgehen bei probabilistischen Analysen von Turbinenschaufeln diskutiert. Des Weiteren werden die Ergebnisse von probabilistischen Untersuchungen eines 3D Modells einer stationären Gasturbinenschaufel (ALSTOM), eines 2D Turbinenschaufelmodells einer Fluggasturbine (RRD) und eines 3D Modells eines Leitraddrillings einer Fluggasturbine (MTU) dargestellt. Bei den Ergebnissen der probabilistischen Untersuchungen handelt es sich unter anderen um die Sensitivitäten der Modelle bezogen auf die probabilistischen Eingangsgrößen (z.B.: Materialkennwerte, TBC-Dicke, Lage der Kühlkanäle, Belastungen infolge von Schaufelkräften und Temperaturen) und die Eintretenswahrscheinlichkeiten verschiedener Ergebnisgrößen (z.B.: Zyklenzahl, Versagenskriterium).
reference:
Tagungsband 9. Statusseminar der Arbeitsgemeinschaft DLR, Köln-Porz, 1./2. Dezember 2004.