Ein optimales aerodynamisches Design für Schaufelblätter
Im Vergleich zu konventionellen Motoren ermöglicht eine Hochauftriebs-Niederdruckturbine bessere Effizienzen bei geringeren aerodynamischen Belastungen. Die Anzahl der Turbinenschaufeln kann reduziert werden, sodass folglich die insgesamte Länge und das insgesamte Gewicht des Motors sinkt und die Wartungskosten sowie die damit verbundenen Emissionen wesentlich verringert werden. Die Beibehaltung von Leistung und Sicherheit bei weniger Schaufeln und sehr hohen Nabenbelastungen erfordert jedoch eine sorgfältige Optimierung der Designparameter. Um die anspruchsvollen Bauformbeschränkungen zu erfüllen, die das einzigartige aerodynamische Profil von Hochauftriebs-Niederdruckturbinenschaufeln mit sich bringt, initiierten Forscher das EU-finanzierte Projekt ITURB (Optimal high-lift turbine blade aero-mechanical design). Das ITURB-Team gestaltete ausgehend von einer Basiskonfiguration, die repräsentativ für eine hochmoderne LPT-Schaufel steht, eine solche Turbinenschaufel. Das neue Schaufeldesign basierte auf einer Mehrzieloptimierungsstrategie, welche Geometrien und eine Berechnung der Strömungsdynamik berücksichtigt. Die Forscher verwendeten insbesondere stetige 3D-Viskoseberechnungen, die auf einem Kappa-Omega-Turbulenzmodell basieren, um die aerodynamische Leistung zu beurteilen. Zur Überprüfung der mechanischen Integrität wurde die maximale Schaufelbelastung anhand von Zentrifugalkräften ermittelt. Schließlich nutzten die Forscher künstliche neuronale Netze, um unter Anwendung eines Antwortflächenansatzes die Designfläche zu erforschen. Die kombinierten Stärken der Optimierungsverfahren führten zu einer aerodynamisch soliden Konfiguration, welche sowohl den mechanischen als auch den geometrischen Einschränkungen entspricht. Das endgültige Design wurde im Rahmen einer experimentellen Kampagne validiert, die an einer Anlage mit einer einstufigen Turbine und geringem Auftrieb durchgeführt worden war. Die experimentellen Resultate wurden mit nummerischen Berechnungen zur Schaufelleistung in Bezug auf eine feste Reynoldssche Zahl bei variierendem Schaufelanströmwinkel verglichen. Das theoretische und experimentelle Design sowie die Testinstrumente von ITURB resultierten in einer Hochauftriebs-Niederdruckturbinenschaufelkonfiguration, welche Einsparungen bezüglich Gewicht, Treibstoffverbrauch und Emissionen verspricht. Das neue Schaufeldesign bildet einen wichtigen Bestandteil der Clean-Sky-Initiative zur Reduzierung der Umweltauswirkungen im Luftverkehr.
