ISBN 978-3-8439-2291-3

978-3-8439-2291-3, Reihe Ingenieurwissenschaften

Hannes Lück
Simulation und Optimierung der Turbinenkühlung unter Berücksichtigung der thermischen Fluid-Struktur-Interaktion

177 Seiten, Dissertation Technische Universität Darmstadt (2014), Hardcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

In Flugzeugtriebwerken ist es nötig, den Verdichterstufen rund ein Viertel des bereits verdichteten Primärmassenstromes zu entziehen, um z.B. die Turbinenscheiben zu kühlen und Kavitäten zwischen den Scheiben gegen den Eintritt von Heißgas abzudichten. Die sogenannte Sekundärluft wird demnach nicht verbrannt und trägt einen Haupteil der Verluste im Kreisprozess. Eine genauere Erfassung der gekühlten Scheibentemperaturen und eine damit verbundene Optimierung der Turbinenkühlung stellen daher eine der vielversprechendsten Möglichkeiten dar, den Hauptwirkungsgrad der Triebwerke zu verbessern. Hierzu müssen zusätzlich zum Wärmeübergang zwischen der Strömung und den Scheiben die uneinheitlichen Deformationen der rotierenden und stehenden Scheiben durch gekoppelte Simulationen berücksichtigt werden. Nur durch deine gekoppelte und damit genauere Erfassung aller Dichtungsmaße können die Leckageströme und damit der Wärmeintrag in die Scheiben korrekt abgebildet werden.

Das kommerzielle Softwarepaket ANSYS bietet für die Simulation der thermischen Fluid-Struktur-Interaktion (TFSI) zwei Möglichkeiten, um den Strömungslöser CFX und den Strukturlöser Mechanical zu koppeln. Durch die MFX-Kopplung kann eine schon verfügbare Schnittstelle genutzt werden, um das Strömungs- und Strukturgebiet an deren Grenzfläche partitioniert und implizit zu koppeln. Dem gegenüber steht eine explizite, auf eigenen Skripten basierende Kopplung, in der ein Conjugate-Heat-Transfer-Modell (CHT-Modell) in CFX mit einem reinen Strukturmodell in Mechanical gekoppelt wird.

Die in dieser Arbeit zur Anwendung kommende Geometrie ist eine zweistufige Testturbine, die im Rahmen eines EU-Forschungsvorhabens experimentell und numerisch untersucht wurde. Neben der Validierung eines 3D-Sektormodells erfolgt zusätzlich eine Modellreduktion hin zu einem axialsymmetrischen 2D-Ersatzmodell. Das Ersatzmodell wird im Rahmen einer multiphysikalischen Optimierung unter Auswertung der geskripteten TFSI-Kopplung parametrisiert und das ermittelte Optimum anschließend auf das 3D-Sektormodell zurückgeführt. Der Optimierung kommt zudem die Beurteilung der Designvariablen hinsichtlich ihrer Sensitivitäten gegenüber dem gewählten Zielfunktional zuvor. Im Zielfunktional werden sinkende Scheibentemperaturen, spezifizierte Rotor-Stator-Spaltmassenströme sowie möglichst minimale Mises-Vergleichsspannungen im Rotor angestrebt.