"Eis-Formations"-Methode - Optimierung von Turbomaschinenkomponenten

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Bernhard Weigand
• Subject Area: Hydraulic and Turbo Engines and Piston Engines
• Term: from 2005 to 2007
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5442917

Im Rahmen des hier beantragten Projekts soll die Eisformationsmethode zur natürlichen Optimierung geometrischer Komponenten speziell in Turbomaschinen angewandt und mit einem klassischen Optimierungsansatz kombiniert werden. Das Projekt fungiert als Pilotprojekt zwischen der DFG und der FVV, da zum einen die Grundlagen der Eis-Formations-Methode betrachtet werden und zum anderen die Ergebnisse auf industrielle Anwendungen übertragen werden können.Die Eisformationsmethode basiert auf der Kopplung von Impuls- und Wärmeaustausch und deren Interaktion mit der Wand, die aus der erstarrten Phase besteht und deren Kontur ihrerseits durch ein lokales Wärmegleichgewicht bestimmt wird. Dabei wird die zu untersuchende Basisgeometrie, deren Wände auf einer Temperatur unterhalb der Erstarrungstemperatur des Fluides gehalten werden, mit einer Eisschicht überzogen und die sich im Gleichgewichtsfall einstellende Körperkontur vermessen. Verschiedene Wandunterkühlungen und verschiedene Reynoldszahlen führen dabei i.A. zu unterschiedlichen Körperkonturen. Eine Analyse der so erhaltenen Formen führt zur Identifikation von Klassen optimaler Konturen im Hinblick auf Druckverlust und Wärmeübergang auch bei komplexen Strömungsformen, wie z.B. der geometrischen Verbindung zwischen Schaufelfuß und Seitenwand, an der Hufeisenwirbel auftreten.Die gefundenen Konfigurationen werden in einem weiteren Schritt parametrisiert und einer klassischen numerischen Optimierung zugeführt. Eine sich hieran anschließende 3D-numerische Analyse kann die Eignung der gefundenen optimalen Konturen auf den strömungsmechanischen Einsatzbereich überprüfen, wie er typischerweise bei Flugtriebwerken oder stationären Gasturbinen angetroffen wird.Geplant ist für die kommende Förderphase der Aufbau einer Kaskade als Messstrecke und die Vereisung der Endwand. Daran angeschlossen wird eine numerische Analyse der gewonnenen Eiskonturen und deren Parametrisierung zur weiteren numerischen Optimierung. Die erwarteten Eisschichtkonturen werden aufgrund der komplexen Basisgeometrie hochgradig dreidimensional sein. Daher muss auch untersucht werden, wie man die erhaltenen 3DErgebnisse aufbereiten muss, um sie für künftige Optimierungsmethoden sinnvoll zur Verfügung zu stellen.

• DFG Programme: Research Grants
• Participating Persons: Dr. Jochen Gier; Professor Dr.-Ing. Sven Olaf Neumann