Im Rahmen des Verbundvorhabens R&E TURB (Robuste und effiziente Turbinen für Turbofans, Getriebefans und Wellenleistungstriebwerke der nächsten Generation) des Luftfahrtforschungsprogramm IV ist die Abteilung numerische Methoden im Aufgabenpaket 3: Next Step Berechnungs-/Optimierungsmethoden mit der Weiterentwicklung des Simulationssystems TRACE beteiligt.
Ziel des Projekts:
In der Entwicklung moderner Fluggasturbinen spielt die numerische Strömungssimulation mittlerweile eine unverzichtbare Rolle. Eine weitere Steigerung von Wirkungsgrad bei gleichzeitiger Reduzierung von Gewicht und Einzelteilen zur Verbesserung der Wartungsfreundlichkeit erfordert in der Designphase zuverlässige und ausreichend validierte numerische Verfahren. Das Ausnutzen der Gestaltungsfreiheit im aerodynamischen und aeroelastischen Design, dies integriert in automatische Optimierungsalgorithmen, erfordert eine hohe Zuverlässigkeit und ein hohes Vertrauen in die numerischen Auslegungswerkzeuge.
Im Turbinendesign ergeben sich durch das neue Konzept des Geared Turbo Fan (GTF), wobei der Fan langsamdrehend über ein Getriebe durch die Niederdruckturbine angetrieben wird, neue Anforderungen im aerodynamischen als auch aeroelastischen Auslegungsprozess. Die Niederdruckturbine kann nun als schnelllaufende Turbine ausgelegt werden, wobei sie insgesamt mit weniger Stufen und geringerer Baugröße ausgelegt werden kann. Die Verringerung des Höhen-/Seitenverhältnisses verbunden mit einer höheren Energieumsetzung pro Stufe führt zu stärker ausgeprägten dreidimensionalen Strömungseffekten. Hinzu kommen gewichtsreduzierende und bauteilsparende Maßnahmen wie der umlenkende Strut zwischen Hochdruck- und Niederdruckturbine, der zudem an die aeroelastsiche Auslegung gegen Forced Responce höhere Anforderungen stellt. Die dreidimensionalen, instationären Strömungseffekte verbunden mit laminar-turbulentem Umschlag der Grenzschichten können nur durch höherwertige Modellbildungen realitätsnah vorhergesagt werden. Die in vorhergehenden und laufenden Lufo-Vorhaben angegangen und erzielten Verfahrensverbesserungen sollen in diesem Projekt für den täglichen Einsatz des Designingenieurs vor Ort qualifiziert und weiterentwickelt werden, wobei neue Aspekte der schnelllaufenden Niederdruckturbine einbezogen werden. Die Verfahren müssen in ausreichend kurzer Durchlaufzeit robuste und zuverlässige Simulationsergebnisse liefern, um für einen erfolgreichen Auslegungseinsatz in der industriellen Umgebung gerüstet zu sein.
Das Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung und Validierung von Optimierungs- und Simulationstechniken für die aeroelastische und aerodynamische Turbinenauslegung in einem dreidimensionalen, instationären Simulationsverfahren. Die in diesem Projekt durchzuführenden Erweiterungen sollen die aerodynamischen und aeroelastischen Vorhersagefähigkeiten des vorhandenen numerischen Verfahrens schneller und treffsicherer erfolgen lassen. Ziel ist es, die Physik in der schnelllaufenden Niederdruckturbinen durch höherwertige Turbulenzmodellierung verbunden mit qualifizierten Transitionsmodellen besser vorherzusagen. Instationäre Phänomene, besonders im Hinblick auf Forced Responce können durch die Frequenzbereichsmethoden effektiv und schnell im täglichen Design integriert werden. Da die Nebengeometrien zur weiteren Effizienzsteigerung in nächster Zukunft auch in das tägliche Design einfließen, ist es notwendig, die zur Auslegung benötigten Modelle auch im unstrukturierten Modus verfügbar zu haben. Alle Modelle sollen demgemäß auch im Optimierungsprozess zur Verfügung stehen, der effizient unter Freigabe vieler hundert Designparameter nur mit einem adjungierten Verfahren in angemessener Zeit bewerkstelligt werden kann.
Folgende Themen werden im Projekt bearbeitet:
Turbulenz
Unstrukturierte Lösungsalgorithmen
Komplexe Geometrien
Adjungierte Strömungslöser
Nichtlineare Frequenzbereichsmethoden