"Eis-Formations"-Methode - Optimierung von Turbomaschinenkomponenten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Projekt befasste sich mit der Eisformationsmethode 1 angewandt zur natürlichen Optimierung geometrischer Komponenten speziell in Turbomaschinen. Die gewonnenen Formen wurden in einer klassischen Optimierung weiterverwendet. Das Projekt war ein Kooperationsprojekt zwischen der DFG und der FVV, da zum einen die Grundlagen der Eisformationsmethode betrachtet wurden und zum anderen die Ergebnisse auf industrielle Anwendungen übertragen werden konnten. Nachdem die Eisformationsmethode auf eine interne Schaufelkühlungsgeometrie angewendet wurde, sollte nun der Nachweis der Anwendbarkeit auf eine externe Schaufel-Seitenwand-Umströmung mit komplexer Strömungscharakteristik erbracht werden. Dazu wurde zunächst die Schaufelseitenwand vereist und die sich einstellenden Eisschichtkonturen in Abhängigkeit der Parameter Reynoldszahl und dimensionsloses Temperaturverhältnis vermessen und parametrisiert. Zudem konnte die lokale Wärmeübergangsverteilung auf der vereisten Seitenwand bestimmt werden. In einem weiteren Schritt wurde zusätzlich zur Seitenwand der Schaufelfuß vereist. Die sich einstellenden Seitenwandkonturen wurden mit dem Fall des unvereisten Schaufelfußes verglichen. Die aus dem Versuch gewonnenen Eiskonturen wurden über einen „Bezier-Kurven“-Ansatz parametrisiert und für diese Endwandkonfigurationen das zugehörige Strömungs- und Temperaturfeld numerisch mit Hilfe von CFD berechnet. Vergleichende Rechnungen mit weiterführenden Simulationen zur Optimierung auf minimalen Druckverlust bzw. minimaler thermischer Belastung wurden ebenso durchgeführt. Neben der Untersuchung der Schaufel-Seitenwand-Verbindung wurden die Versuche im 180°-Krümmer mit einer kombinierten Vereisung von Trennsteg und Tipwand fortgesetzt und erweitert. Dabei lag der Schwerpunkt auf der Betrachtung des Einflusses der einzelnen vereisten Flächen aufeinander. Parallel dazu wurden sowohl Trennsteg als auch Tipwand für den kombinierten Fall mit dem oben genannten Verfahren numerisch optimiert. Darüber hinaus wurden zusätzliche Validierungsmessungen für ausgewählte Konfigurationen bei hohen Reynoldszahlen mit Luft durchgeführt. Nachdem in der ersten Förderphase die Anwendbarkeit der Methode sowie deren Verwendung als Ideengenerator für den Trennsteg eines 180°-Krümmers gezeigt werden konnte, wurde im nächsten Schritt die Tipwand (Prallwand) des 180°-Krümmers vereist und vermessen sowie anschließend parametrisiert und optimiert. Für die experimentellen Untersuchungen wurde der Reynoldszahlbereich anlagentechnisch bedingt konstant gehalten, die Wandunterkühlung konnte jedoch weiter gesteigert werden. Zudem wurden verschiedene Vereisungskonfigurationen (Steg, Tipwand, Steg+Tipwand) und verschiedene Tipwandabstände miteinander verglichen. Dabei konnten Konturen gefunden werden, die sowohl einen reduzierten Druckverlust als auch eine attraktive Wärmeübergangscharakteristik aufweisen und somit das Optimierungsziel für die genannte Konfiguration erfüllen. Es wurde eine Methode der Parametrisierung gefunden, die es ermöglicht, die charakteristische Kontur der Eisschicht abzubilden und für eine weiterführende Optimierung bereitzustellen. Eine numerische Untersuchung der bisher gewonnenen Eisschichten bezog sich hauptsächlich auf die Bestimmung des Druckverlustes und den Vergleich mit den experimentellen Daten. Druckverlauf und Druckverlust im Versuchskanal waren aufgrund von starken turbulenten Schwankungen und des insgesamt geringen Totaldruckverlusts im glatten Kanal schwierig zu bestimmen und lagen teilweise nur im Bereich der Messungenauigkeit der bisher verwendeten Druckaufnehmer. Es konnte jedoch der qualitative Druckverlauf, gemäß der Korrelation nach Blasius, für den glatten Kanal bestimmt werden. Die Bestimmung des Strömungsfeldes in Abhängigkeit des Wandabstands Wel/W (Wel-Abstand Tipwand-Trennsteg, W-Kanalbreite im Einlass) mittels PIV-Untersuchungen zeigte – ähnlich wie schon bei der Entwicklung der Eisschichtkontur – einen deutlichen Einfluss dieses Parameters. Hier waren vor allem Unterschiede in der Größe des Rezirkulationsgebietes und der maximalen Geschwindigkeiten zu erkennen. Insgesamt führte die Eisformationsmethode zu optimierten Geometrien der Trennstegkontur und somit zu reduzierten Druckverlusten im Kanal. Darüber hinaus wurden weiterführende Experimente zur Klassifizierung von Eisschichtkonturen für verschiedene Kanalgeometrien, d.h. für unterschiedliche Seitenwandabstände Wel/W, durchgeführt. Ziel war eine systematische Untersuchung der entstehenden Eisschichten in Abhängigkeit der genannten Versuchsparameter und eine Klassifizierung hinsichtlich des Gesamtdruckverlusts im Kanal. Ebenso wurden numerische Untersuchungen für einen berippten Zwei-Pass-Kanal mit optimierter Trennsteggeometrie durchgeführt und im Anschluss an das Vorhaben zusätzlich zur bereits validierten Numerik auch Validierungsmessungen in einem Luftkanal durchgeführt. Die für den berippten Kanal entstandenen Eisschichten fungierten insbesondere als Startgeometrien für eine numerische Optimierung des Kanals unter Verwendung von zwei Zielfunktionen (minimaler Druckverlust bei gleichzeitig maximalem Wärmeübergang). Die bisher verwendete Prozesskette zur Optimierung wurde dementsprechend erweitert. Parallel zu den oben aufgeführten Ergebnissen wurde ein weiterer Versuchsstand konstruiert. Hier wurde die Methode an der Schaufelumströmung in einer Kaskade getestet. Für die Untersuchungen der Schaufel-Seitenwand-Verbindung wurden ebenfalls die Parameter Reynoldszahl und Wandunterkühlung in einem weiten Bereich variiert und so konnte eine typische Eisschichttopologie für die gegebene Ausgangsgeometrie bestimmt werden. Es konnte gezeigt werden, dass in Bereichen hohen Wärmeübergangs bzw. hoher Scherkräfte die Eiskontur deutlich dünner ist, als in Bereichen mit niedrigen Scherkräften. Die Untersuchung der Kombination einer vereisten Seitenwand mit einem vereisten Schaufelfuß macht deutlich, dass sich mit der Eis-Formations-Methode besonders gut nicht-lineare Probleme analysieren lassen. Durch die Änderung der Schaufelgeometrie ändert sich auch die Seitenwandkontur. Auch bei der Schaufel-Seitenwand-Konfiguration wird ersichtlich, dass die Eiskontur immer die energetisch optimale Strömungsgeometrie realisieren will. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass im Berichtszeitraum klar gezeigt werden konnte, dass die Methode prinzipiell als „Ideengenerator“ funktioniert. Dadurch konnte die von LaFleur et al. genutzte Vorgehensweise des Einsatzes der Eisformationsmethode zur rein experimentellen Optimierung von Körperkonturen auf eine deutlich breitere Basis gestellt werden und zur Generierung effizienter und technisch realisierbarer Strömungs- und Wärmeübergangskonfigurationen genutzt werden. In diesem Arbeitsschritt der Untersuchungen an der Kaskade war vor allem die Entwicklung eines 3D-Eisschichtvermessungsverfahrens notwendig, da die Eisschichten in einer Kaskade einer stark dreidimensionalen Strömung ausgesetzt sind, die dann auch zu stark dreidimensionalen Eiskonturen führen. Die natürlich gewachsenen dreidimensionalen Eisschichten dienten dann als Grundlage für eine Parametrisierung. Es konnten im weiteren Prozessschritt der Eisformationsmethode darauf aufsetzende numerische, evolutionäre Optimierungsrechnungen mit den komplementären Zielfunktionen minimaler Totaldruckverlust bzw. minimaler Wärmeübergang (entsprechend minimaler thermischer Belastung) an der Plattform durchgeführt werden. Während die Rechnungen für die minimalen strömungsmechanischen Verluste auf Wandkonturen führten, die im Bereich des Turbomaschinenbau bereits auch technologisch umgesetzt werden, führten Rechnungen mit minimalem Wärmeübergang auf neuartige Seitenwandkonturierungen, die systemtechnisch attraktiv erscheinen, aber noch im Gesamtkontext bewertet werden müssen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Abgeschaut von der Natur. Dfg-forschung 4/2008, S. 4-8
B. Weigand, S.O. Neumann, S. Zehner, H. Steinbrück
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Combination of Natural and Numerical Optimization Methods at the Example of an Internal Gas Turbine Cooling Channel. Parallel Problem Solving in Nature - PPSN X proceedings, Springer, Lecture Notes in Computer Science, Dortmund, Germany, September 13-17, 2008, ISBN 978-3-540-87699-1
H. Steinbrück, S. Zehner, B. Weigand, S.O. Neumann
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Optimization of the Web Geometry of a 180-Degree Bend Using an Experimentally Determined Ice Layer as Starting Contour: Part 1 - Experimental Results. ISROMAC12, The 12th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery; Paper-No. 20049, Honolulu, Hawaii, February 17-22, 2008
S. Zehner, H. Steinbrück, B. Weigand, S.O. Neumann, J. Gier
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Optimization of the Web Geometry of a 180-Degree Bend Using an Experimentally Determined Ice Layer as Starting Contour: Part 2 - Numerical Simulation and Optimization. ISROMAC12, The 12th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery; Paper-No. 20053, Honolulu, Hawaii, February 17-22, 2008
H. Steinbrück, S. Zehner, B. Weigand, S.O. Neumann, J. Gier
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Inspired by Nature. german research - Magazine of the Deutsche Forschungsgemeinschaft, 2009, 3, 4-8
B. Weigand, S. O. Neumann, H. Steinbrück, & S. Zehner
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Optimierung einer Turbinenschaufel-Endwand-Verbindung mit der Eisformationsmethode. Jahrestreffen der ProcessNet-Fachausschüsse, Mehrphasenströmungen und Wärme- und Stoffübertragung, 3.-5. März 2009, Bad Dürkheim
S. Zehner, H. Steinbrück, B. Weigand, S.O. Neumann
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Optimization of a Turbine Vane Endwall Using a combined Natural and Numerical Approach. Turbine 2009, 9.-14. August, Antalya, Turkey
S.O. Neumann, S. Zehner, H. Steinbrück, B. Weigand
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The Ice Formation Method: A Natural Approach to Optimise Turbomachinery Components. International Journal of Design & Nature and Ecodynamics, Vol. 3, No. 4, pp. 259–272, 2009
S. Zehner, H. Steinbrück, B. Weigand & S.O. Neumann
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Experimentelle und numerische Optimierung einer 180° Strömungsumlenkung mit Wärmeübergang mit Hilfe der Eisschichtformationsmethode. Jahrestreffen der ProcessNet-Fachausschüsse, Computational Fluid Dynamics und Wärmeund Stoffübertragung, 8.-10. März 2010, Hamburg
S.O. Neumann, S. Zehner, H. Steinbrück, M. Schüler, B. Weigand
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Experimentelle Untersuchungen von Turbomaschinenkomponenten mit der Eisformationsmethode. Dissertation, ITLR, Universität Stuttgart, 2010
S. Zehner
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Numerische Optimierung von Turbomaschinenkomponenten unter Verwendung der Eisformationsmethode. Dissertation, ITLR, Universität Stuttgart, 2010
H. Steinbrück
