Modellierung der Übergangsgeometrie

Problembeschreibung 

Für die meisten Turbinen- und Verdichterschaufeln wird der Übergang von dem 3D-Schaufelblatt zur Fuß- bzw. Deckplatte durch eine Art Übergangsgeometrie realisiert. Abhängig von der Anwendung kann diese Übergangsgeometrie unterschiedliche Geometrien aufweisen. Sie ist in der Regel gut definiert, aber geometrisch willkürlich und kann erheblichen Einfluss auf die Leistung und Durchflusskapazität einer Turbinenstufe haben. Daher sollten sie bei der numerischen Berechnung berücksichtigt werden.

Große Rotor- bzw. Gehäusesteigungswinkel, dünne Hinterkantendicken der Profile und stark gekrümmte 3-dimensionale Oberflächen machen die Beschreibung der Übergangsgeometrie zu einer Herausforderung.

• Kommerzielle Netzgeneratoren können die Übergangsgeometrie zwischen Schaufelblatt und Fuß-/Deckplatte oft überhaupt nicht oder nicht in ausreichender Qualität selbst erzeugen.
• Kommerziell erhältliche CAD-Programme sind ebenfalls nicht in der Lage, eine Flächenbeschreibung der Übergangsgeometrie so zu erzeugen, wie sie für die Vernetzungsalgorithmen der kommerzieller Netzgeneratoren erforderlich ist.

Ziele 

Das Ziel des Projekts besteht darin, einen mathematischen Algorithmus zu entwickeln, der eine Oberflächenbeschreibung des 3D-Schaufelblatts einschließlich der Übergangsgeometrie berechnet und diese Oberflächenbeschreibung als einen eindeutigen Satz von Oberflächenkoordinaten zur weiteren Verarbeitung ausgibt. Dabei soll anhand von Datensätzen, die typische und teils auch herausfordernde Charakteristiken von realen Schaufeln aufweisen, getestet werden, ob die Übergangsgeometrie auch für kompliziertere Settings erfolgreich und standardisiert berechnet werden kann.

 

Methoden

• Oberflächenbeschreibung durch Splines, Nurbs, etc.
• Iterative Verfahren zur Berechnung optimaler Schnitte
• Fitting von Übergangsradien an gegebene Schaufel und Fuß- bzw. Deckplattendaten
• Implementierung in MATLAB und C++

Herausforderungen

Die Übergangsgeometrie soll an eine beliebige 3D-Schaufelblattgeometrie angepasst werden. Besonders Schaufeln mit einem großen Krümmungsradius an den Hinterkanten und/oder besonderen geometrischen Randbedingungen an Fuß- und Deckplatten stellen hier erhöhte Anforderungen an die Stabilität des Verfahrens. So müssen Rahmenbedingungen an Stetigkeit der Übergänge, relative Steigungswinkel, etc. unbedingt erfüllt werden. Der zu entwickelnde Algorithmus muss also mit einer großen Bandbreite an geometrischen Rahmenbedingungen zurechtkommen und dennoch zu einer Übergangsgeometrie kommen, die in der Fertigung realisierbar ist und in anderen Programmen, z.B. in numerischen Berechnungen aus dem Bereich der Strömungsmechanik (CFX), einheitlich verwendet werden kann.  

Zuordnung zum HRW-Leitthema

• Energie und Ressourcen