2014 ASME Siller Turbine Design

Towards a Highly Efficient Small Scale Turboshaft Engine. Part II: Aero-Mechanical Turbine Design and Optimization
Konferenzpaper ASME GT2014-26320, Düsseldorf, Deutschland
U. Siller, G. Kröger, T. Moser, S. Hediger
Veröffentlichungsjahr: 2014

 

In diesem Paper wird die Auslegung und multidisziplinäre Optimierung einer zweistufigen Axialturbine in einer Kleingasturbine für Wellenleistungsanwendungen mit 80kW vorgestellt. Die zweistufige Axialturbine setzt sich aus einer mit dem Verdichter gekoppelten Hochdruckturbine und einer Niederdruckstufe für den Wellenleistungsantrieb mit konstanter Drehzahl zusammen. Die Arbeit baut auf die Verdichterauslegung im ersten Teil der Veröffentlichung auf und legt den Schwerpunkt auf eine detaillierte Darstellung des Optimierungsprozesses.

Für eine in der Optimierung erforderliche automatisierte Geometrieerzeugung wird zunächst die Profil- und Strakparametrisierung vorgestellt. Da zur Berücksichtigung der Stufeninteraktion eine simultane Optimierung beider Stufen durchgeführt wird, liegt die Gesamtanzahl der freien Designparameter bei über 150 einzelnen Parametern. Neben der aerodynamischen Bewertung wird während der Optimierung zusätzlich die Schaufeldynamik (Campbell Diagramm) und Strukturmechanik berücksichtigt. Die Eintrittsrandbedingungen für die CFD-Simulation stammen aus einer Kreisprozessabschätzung mit den Daten der Verdichterauslegung. Für die Austrittsrandbedingung wird ein analytisches Diffusor-Modell vorgestellt, welches je nach Totaldruck am Austritt einen passenden statischen Gegendruck abschätzt.

Neben dem Optimierungssetup werden die Optimierungsphasen und Steuerung erläutert. Anschließend erfolgt eine detaillierte aerodynamische Bewertung der final ausgewählten Geometrie und die Diskussion der Kennfelder. Insgesamt zeigte sich, wie erfolgreich eine Optimierung von großer Komplexität im industriellen Zeitrahmen und mit vorhandenen Rechenkapazitäten durchgeführt werden kann. Eine Schlüsselrolle spielen dabei insbesondere eine sorgsam gewählte Geometrieparametrisierung und Prozesskette zur Analyse.

Der Prüfstandstest eines Prototyps der Kleingasturbine ist für 2014 vorgesehen.

 

2014 ASME Siller Turbine OptiFront

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