Verbundprojekt: RoBoFlex - Robuste Turbomaschinen für den flexiblen Einsatz; Projekte: 2.4a: Temperaturfluktuationen in Flammen unter realistischen Verbrennungsbedingungen, 3.3a: Fortschrittliche Muster zur Bewertung des Berstverhaltens von Turbinenscheiben, 4.3: Realgeometrie Effekte und probabilistischer Entwurf von Verdichtern unter Zuhilfenahme von adjoint Methoden

Abstract

2.4a: Es werden wesentliche Designschritte für die Quantifizierung und Qualifizierung des laseroptischen Messverfahrens TDLAS (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy) für Temperaturverteilungs- und Gasspeziesemissionsmessungen in Turbomaschinen unter realen Betriebsbedingungen anhand der Messergebnisse in zwei unterschiedlichen Verbrennungsprüfständen motiviert. Im Fokus des Teilvorhabens 3.3a stand die thermomechanische Modellierung neuartiger Versagenskriterien hinsichtlich des Berstverhaltens von Turbinen-/Kompressorscheiben. Hierzu wurden lokale elastisch-plastische und bruchmechanische Ansätze herangezogen, um das Versagensverhaltens unter Berücksichtigung der relevanten Beanspruchungsbedingungen bei Überdrehzahlbedingungen zu beschreiben. Die Identifizierung der maßgeblichen Versagensmechanismen, deren mechanische Modellierung sowie versuchstechnische Validierung liefert ein Verständnis des Berstverhalten von kritischen Komponenten, welches oft der limitierenden Faktor bei der Auslegung von Turbinenscheiben ist. 4.3: Die Geometrie, welche im Design des Verdichters entworfen wird, weicht in der realen Anwendung aufgrund von Geometrievereinfachungen, Herstellungstoleranzen und Verschleiß während des Betriebes von der Nominalgeometrie ab. Das Vorhaben setzt sich mit der Untersuchung des Einflusses von Realgeometrieeffekten, die während des Auslegungsprozesses vernachlässigt werden, und Geometrieabweichungen, die durch Fertigungsungenauigkeiten und Abnutzung während des Betriebes des Verdichters begründet sind, auf die Effizienz und Stabilität des Verdichterbetriebs auseinander. Es wurde eine stabile Prozesskette mit einem adjungierten CFD-Verfahren aufgesetzt, mit der der hohe rechnerische Aufwand bisheriger probabilistischer Verfahren reduziert wird. Das zeiteffiziente Verfahren wurde zur probabilistischen Untersuchung von Geometrieabweichungen eingesetzt, um Auswirkungen auf den Wirkungsgrad und die Stabilität im Betrieb des Verdichters zu analysieren. Datei-Upload durch TIB 2.4a: Essential design steps for the quantification and qualification of the laser-optical measurement method TDLAS (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy) for temperature distribution and gas species emission measurements in turbomachines under real operating conditions are motivated based on the measurement results in two different combustion test rigs. 3.3a: Key focus of this project was the thermo-mechanical modelling of novel failure criteria for the burst behaviour of turbine- and compressor discs. For this purpose, local elastic-plastic and fracture-mechanics based state-of-the-art approaches were utilized in order to model the failure behaviour for overspeed conditions under consideration of the relevant loading conditions. The identification and mechanical modelling of the dominant failure mechanisms with the experimental validation provide a substantial contribution for the continuing knowledge increase about the burst behaviour of critical gas turbine components, which in many cases represents the limiting factor for the design of turbine discs. 4.3: The real geometry in compressors diverges from the nominal geometry that was used during the developed due to geometry simplifications in the design process, manufacturing variance and deterioration over the life cycle. The program investigates the effect of deviations of the real geometry from the nominal design on the efficiency and stability of the compressor. A robust process chain has been developed that uses adjoint CFD simulations to asses the small deviations in geometry by means of gradients in the numerical model. The time effective method was utilised to run probabilistic simulations of the compressor with the geometry scatter derived from in service compressors.