Abgeschlossene Probabilistikprojekte der Professur

Projektleiter:	Prof. Dr.-Ing. habil. Ronald Mailach
Bearbeiter:	Dipl.-Ing. Lars Högner
Finanzierung:	Rolls-Royce Deutschland, LuFo V
Laufzeit:	08/2018 - 12/2021

Im Rahmen des Verbundprojektes LuFo V: PRESTIGE wird in diesem Forschungsprojekt das Realgeometrieverhalten eines Verdichters bzw. einer Verdichterstufe untersucht. Zu diesem Zweck werden optische Messdaten erhoben. Anschließend erfolgt die parametrische Beschreibung der geometrischen Variabilität, die es in einer probabilistischen, multidisziplinären Simulation zu berücksichtigen gilt. Im Einzelnen gilt es die folgenden Arbeitspakete zu bearbeiten:

• Erforschung von Verfahren zur parametrischen Beschreibung der Variabilität komplexer Freiformflächen auf Basis von digitalen 3D Modellen,
• Automatisierte Einbindung von Geometrie-Variabilität in das CAD Geometriemodell unter Verwendung von hochgenau gemessenen Realkomponenten,
• Erzeugung der „heißen“ Realgeometrie des Fluid-Gebietes durch gekoppelte Simulation von Struktur und Fluid,
• Automatisierte Vernetzung des Fluid Gebietes unter Berücksichtigung der geometrischen Variabilität und der Genauigkeitsanforderung der CFD Simulation,
• Probabilistische Simulation des multidisziplinären Verhaltens zur Vorhersage des Einflusses der Geometrie-Variabilität auf das aerodynamische Verhalten.

Projektleiter:	Prof. Dr.-Ing. habil. Ronald Mailach
Bearbeiter:	Dipl.-Ing. Andriy Prots
Finanzierung:	MTU Aero Engines AG, LuFo V
Laufzeit:	11/2018 - 11/2020

Einer Versuchskampagne vorausgehend werden geforderte Messgenauigkeiten definiert. Dies dient zum Sicherstellen des Erfolgs einer Versuchskampagne, der Spezifikation von Messaufgaben und dient als Referenz für die quantitative Kontrolle der Qualität von Messungen. Vor dem Hintergrund zunehmend ausgereifter Produkte werden durch Erprobung nachzuweisende Technologiepotentiale und somit Unterschiede in aerodynamischen Kenngrößen progressiv kleiner. Unter Berücksichtigung existierender Messtechnik muss daher ein begründetes Absehen von der Einhaltung der üblich verwendeten Sicherheitsfaktoren in Erwägung gezogen werden. Um derartige Entscheidungen zu ermöglichen, soll im Rahmen dieses Projektes der zugrundeliegende Bewertungsprozess auf ein probabilistisches Fundament gestellt werden. In diesem Zusammenhang sollen folgende Fragen adressierbar sein:

• Mit welcher Genauigkeit muss tatsächlich gemessen werden und welche Randbedingungen sind dazu einzuhalten?
• Wie hoch sind die assoziierte Konfidenz und Fehlerwahrscheinlichkeit der Aussage?
• Welchen relativen Einfluss haben dabei die Einzelunsicherheiten?

Projektleiter:	Prof. Dr.-Ing. habil. Ronald Mailach
Bearbeiter:	Dipl.-Ing. Marius Stricker
Finanzierung:	BMWi
Laufzeit:	01/2016-12/2018

Als Fortsetzung des Projekts „Revolutionäre Arbeitsprozesse (REVAP)“ werden auch bei TREVAP Möglichkeiten zur Steigerung des thermischen Wirkungsgrades erforscht. Aufgrund des abzusehenden Endes der evolutionären Weiterentwicklung bestehender Antriebskonzepte sind dazu neue Kreisprozesse erforderlich. Durch REVAP konnten die meistversprechenden Änderungen des Kreisprozesses identifiziert werden. Diese sind die isotherme Verdichtung sowie die isochore Verbrennung. Im Folgeprojekt TREVAP werden diese Technologien in konkreten Triebwerksprojekten eingesetzt und die Ergebnisse bewertet. Neben den Aussagen über die Machbarkeit, den Aufwand und den Nutzen ist ein weiteres Ziel des Projekts die Entwicklung einer Liste benötigter Technologien, welche als Grundlage zielgerichteter Forschung und Entwicklung dient.

Zusammen mit den Projektpartnern werden zwei Triebwerkskonfigurationen entworfen. Diese unterscheiden sich durch die Art der isochoren Verdichtung, welche in einem Fall mittels Waverotor und im anderen Fall mittels Freikolbenmotor erfolgen soll. Für die Auslegung ist das DLR-VT beziehungsweise das Bauhaus Luftfahrt verantwortlich. Ideen und Konzepte für die isotherme Zustandsänderung werden vom ITLR (Uni Stuttgart) entwickelt. Des Weiteren werden am LFA (TU Berlin) und am GLR (TU Darmstadt) die Auswirkungen des gepulsten Hauptstroms auf den Verdichter beziehungsweise auf die Turbine untersucht. Das Projektmanagement und der konstruktive Aufbau obliegen dem ILA (Uni Stuttgart).

Neben dem ILA übernimmt die Professur für Turbomaschinen und Flugantriebe am ISM der TU Dresden mit der Auslegung des Sekundärluftsystems ein Arbeitspaket, welches für den Erfolg des Gesamtvorhabens von übergeordneter Rolle ist.

Durch die neuen Konzepte entsteht ein erheblich komplexeres Spannungsfeld, welches durch zusätzliche Verbraucher und neue Randbedingungen aufgespannt wird. Die auftretenden Wärmeströme bei den isothermen Zustandsänderungen erfordern ein Transportmedium. Da es sich in beiden Konfigurationen um eine quasistationäre Gasturbine zur Erzeugung elektrischer Leistung handelt, steht kein Nebenstrom zur Verfügung. Daher wird Luft aus dem Sekundärluftsystem benötigt. Die Bereitstellung dieser Massenströme erfordert konstruktive Maßnahmen und hat erheblichen Einfluss auf den Wirkungsgrad. Für die TFA resultiert daraus die Aufgabe, Konzepte zu erarbeiten, welche den Ressourcenkonflikt um die Sekundärluft auflösen sowie deren zweckmäßige Verteilung gewährleisten.

Durch die isochore Verbrennung herrscht am Turbineneintritt ein deutlich höherer Druck als am Verdichteraustritt. Die Kühl- und Sperrluft muss deshalb durch eine zusätzliche Verdichtung aufbereitet werden. Daher wird an der Professur untersucht, wie diese Verdichtung am besten und effizientesten gestaltet werden kann. Konkret werden Möglichkeiten der internen und externen Verdichtung mit Radialverdichtern betrachtet.

Wie für die Turbokomponenten ist auch für das Sekundärluftsystem der pulsierende Hauptstrom eine große Herausforderung. Denn auch bei den auftretenden Druckspitzen muss an der entsprechenden Station ein höherer Druck im Sekundärluftsystem herrschen, um das Eindringen von Heißluft in Schaufeln und Scheibenräume mit fatalen Folgen zu verhindern. Untersucht wird, ob die Wirkungsgradeinbußen durch ein konstant hohes Druckniveau im Sekundärluftsystem, welches durch zusätzliche Verdichtung nach der letzten Turboverdichterstufe erreicht wird, den hohen Aufwand eines ebenfalls pulsierenden Sekundärstroms rechtfertigt. Dazu werden die konstruktiven Maßnahmen wie Ausgleichsvolumina und Drosselventile sowie die erforderliche Regeltechnik bewertet, die erforderlich sind, um Haupt- und Sekundärstrom in allen Betriebspunkten phasengleich zu halten.

Neben dem Sekundärluftsystem bringt die Professur mit ihrer Erfahrung zu probabilistischen Methoden eine weitere Kernkompetenz in das Projekt ein. Sowohl für die Komponenten wie auch für das Gesamtsystem werden Robustheitsuntersuchungen vorgenommen. Dabei soll untersucht werden, wie Sensitiv die beiden Prozesse auf Eingangsgrößenstreuungen sind und wie man diese mögliche Empfindlichkeit reduzieren kann.

Projektleiter:	Prof. Dr.-Ing. habil. Ronald Mailach
Bearbeiter:	Dipl.-Ing. Paul Voigt
Finanzierung:	Rolls-Royce Deutschland, LuFo V
Laufzeit:	09/2018 - 12/2020

Im Rahmen der Vorarbeit zu diesem Projekt wurden über 2000 gebrauchte Schaufeln (Hochdruckkompressor und – Turbine) optisch vermessen. Ein erster Schritt des aktuellen Vorhabens ist die Parametrierung des auftretenden Verschleißes und dessen Einfluss auf die Performance der Triebwerkschaufeln. Für die Parametrierung wird das am Lehrstuhl entwickelte Programm Blade2Parameter (B2P) erweitert.

Weiterhin wird die Detektion von Schäden auf der Schaufeloberfläche, welche durch eingesaugte Fremdkörper verursacht wurden, mit dem am Lehrstuhl entwickelten Programm FOD-Detector automatisiert. Hierbei werden verschiedene Ansätze verfolgt: das Trainieren und Anwenden eines künstlichen neuronalen Netzes, die Berechnung und Auswertung der Oberflächenkrümmung sowie der Ansatz des digitalen Abziehsteins.

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung von umfassenden Verschleißmodellen, welche genutzt werden sollen um Zusammenhänge zwischen Verschleiß beziehungsweise Einschlagscharakteristiken und den Betriebsparametern wie Flugroute und -zyklen zu untersuchen. Diese Daten können für digitale Zwillingsmodelle bereitgestellt werden um deren Vorhersagen zu verbessern. Letztendlich sollen mit den Ergebnissen die Wartungs- und Serviceintervalle von Triebwerken optimiert werden.

Projektleiter:	Prof. Dr.-Ing. habil. Ronald Mailach
Bearbeiter:	Dipl.-Ing. Lukas C. Schuchard
Finanzierung:	BMWi, Siemens AG
Laufzeit:	05/2018 - 02/2021

Dieses Vorhaben ist Teil des Verbundprojektes AG Turbo ECOFLEX-turbo. Der Rotor von Mitteldruckdampfturbinen gehört aufgrund der großen Abmessungen sowohl aufgrund thermischer Belastungen durch An- und Abfahrvorgänge als auch durch hohe Fliehkraftbelastungen in Verbindung mit Zeitstandschädigung zu den lebensdauerführenden Komponenten. Insbesondere der Bereich der ersten Laufschaufelnuten mit den konstruktiv nicht vermeidbaren Kerben ist hierbei von besonderer Bedeutung. Das mechanische Verhalten der Einbauten (Schaufelfüße) in diesen Kerben hat einen starken Einfluss auf die zu erwartende Lebensdauer des Rotors; wird nach Stand der Technik bei der Lebensdauervorhersage jedoch noch nicht umfassend berücksichtigt. Das Ziel des Vorhabens besteht darin, das mechanische Verhalten des Schaufelfußverbundes in Umfangsnuten zu untersuchen und den Einfluss auf den Lebensdauerverbrauch des Rotors unter transienten thermischen Lasten zu quantifizieren. Dabei werden probabilistische Ansätze verwendet, um streuende oder nicht hinreichend bekannte Randbedingungen in die Analyse einzubeziehen.

Projektleiter:	Prof. Dr.-Ing. habil. Ronald Mailach
Bearbeiter:	Dipl.-Ing. Marius Stricker
Finanzierung:	Rolls-Royce plc
Laufzeit:	04/2019 - 12/2019

Building on the findings of Phase I - III, the functionality of the software „Blade2Parameter“, which was developed at the chair of Turbomachinery and Jet Propulsion, is extended to rebuild the geometry of several turbine components based on optical measurement data. Within this scope, the focus is on the reconstruction of aerofoil, trailing edge slot, fillets and winglets.

In addition to the extraction of profile parameters referring to the traditional NACA parameterisation, algorithms for the reconstruction and parameterisation of nozzle guide vanes (NGV) with branched medial axis are developed.

Projektleiter:	Prof. Dr. - Ing. Konrad Vogeler
Bearbeiter:	Dipl.-Ing. Sebastian Knebel
Wissenschaftliche Zusammenarbeit:	AG TURBO COOREFLEX-turbo
Finanzierung:	Bund, Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG, ALSTOM Power GmbH
Laufzeit:	04/2015 – 11/2017

An neu ausgelegte Turbinenschaufeln werden stetig höhere Anforderungen gestellt, insbesondere an deren Materialbelastbarkeit. Dabei sind dessen Grenzen durch die vorhandenen Beanspruchungen der Schaufel bereits erreicht.
Die bei der Auslegung angewandten Sicherheitsfaktoren nach „klassischem Wege“ können durch die Verwendung verbesserter Simulationsmethoden reduziert werden. Jedoch bleibt eine gewisse Unsicherheit durch den Einfluss natürlicher Streuungen vieler Parameter in der Auslegungskette erhalten. Diese stochastischen Schwankungen finden in der Turbinenindustrie zunehmend Beachtung durch die Verwendung probabilistischer Methoden.

Im vorliegenden Projekt sollen besonders schwierige Randbedingungen für die probabilistische Simulation bzw. Optimierung der Lebensdauer hoch belasteter Turbinenschaufel zugänglich gemacht werden. So ist es Ziel des Vorhabens, die bei der Herstellung einer gekühlten Schaufel unvermeidlich auftretenden Geometrievariationen der Innengeometrie zu untersuchen.

Folgende Arbeitsschritte werden hierfür umgesetzt:

1. Vermessung der Innengeometrie von Rotorturbinenschaufeln mittels Computertomographie (CT). Validierung der Messgenauigkeit durch Vergleich mit Ultraschallmessungen der Wandstärke am heißgasbenetzten Bereich.
2. Extraktion von Oberflächennetzen (STL) der Innengeometrie in bestmöglicher Genauigkeit aus den CT-Daten.
3. Beschreibung der (Innen-)Geometrie der Turbinenschaufel sowie Ermittlung der geometrischen Produktionsstreuungen, basierend auf den STL-Netzen.
4. Extraktion von besonderen Geometriemerkmalen aus den Daten, beispielsweise Positionen, Orientierungen und Größe von Kühlluftlöchern und Turbulenzgeneratoren.
5. Integration der durchgeführten Arbeiten in industrienahe Auslegungskonzepte.

Projektleiter:	Prof. Dr. - Ing. Konrad Vogeler
Bearbeiter:	Dipl.-Ing. Thomas Backhaus
Wissenschaftliche Zusammenarbeit:	AG TURBO COOREFLEX-turbo
Finanzierung:	Bund, Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG
Laufzeit:	06/2014 - 11/2017

Ziel dieses Vorhabens ist es, eine probabilistische strukturmechanische und strukturdynamische Bewertung von realen, gefrästen Verdichterschaufeln gegenüber Toleranzen in der Fertigung zu ermöglichen. Dazu sollen in einem ersten Schritt die Schaufeln mit Hilfe von optischer 3D-Messtechnik gescannt werden. Anschließend werden die Messergebnisse mit Hilfe von geometrischen Parametern analysiert, statistisch ausgewertet und schließlich für die Ableitung eines parametrischen CAD-Modells verarbeitet. Hierauf aufbauend können im Nachgang Finite Elemente Berechnungsmodelle aufgebaut und für die Durchführung probabilistischer Simulationen erzwungener Schwingungsantworten in so genannte "Reduced Order"-Modelle (ROM) überführt werden. Die Berücksichtigung der Fluid-Struktur-Wechselwirkung erfolgt über Einflusskoeffizienten, welche auf der Grundlage gekoppelter FSI-Simulationen abzuleiten und in die reduzierten Modelle zu implementieren sind. Besonderer Wert wird auf die Berücksichtigung geometrischer Imperfektionen und ihres Einflusses auf Schaufeleigenfrequenzen und –formen, modeindividueller aerodynamischer Dämpfungen einschließlich höherer Moden und aerodynamischer Erregerkräfte gelegt. Infolgedessen können Abweichungen erzwungener Schwingungsantworten gegenüber jenen des nominellen Designs quantifiziert werden.

Mithilfe der statistischen Auswertung der probabilistischen Simulationen wird die Robustheit des strukturmechanischen und strukturdynamischen Verhaltens gegenüber den Produktionsstreuungen ermittelt. Weiterhin sollen innerhalb von Sensitivitätsanalysen die einflussreichsten Parameter hinsichtlich hoher Schaufelschwingungsbeanspruchungen identifiziert werden und letztlich zur Verbesserung bestehender Designkriterien beitragen.

Projektleiter:	Prof. Dr. - Ing. Konrad Vogeler
Bearbeiter:	Dipl.-Ing. Ilko Reuter
Wissenschaftliche Zusammenarbeit:	AG TURBO COOREFLEX-turbo
Finanzierung:	Bund, Rolls-Royce Deutschland, MTU Aero Engines, ALSTOM Power GmbH
Laufzeit:	11/2014 - 10/2017

An Rotoren und Schaufel-Rotorverbindungen von Industrie- sowie Fluggasturbinen gleichermaßen werden die höchsten Zuverlässigkeitsanforderungen gestellt. Gleichzeitig kommen umwelttechnisch notwendige Herausforderungen zur Energiegewinnung und Effizienzsteigerung der Maschinen hinzu. So sind einerseits das Annähern an Belastungsgrenzen und andererseits das Abdecken breiterer Betriebsbereiche bei gleichbleibender Effizienz zu nennen. Weiterhin entstehen speziell für Industriegasturbinen veränderte Randbedingungen aufgrund von umwelttechnischen Schwankungen im Energieangebot, welche schwer einschätzbare Auswirkungen auf kritische Bauteile haben. Die Forderungen nach minimalen Kosten, Gewicht und kurzen Entwicklungszeiten bei maximaler Flexibilität und Effizienz konkurrieren mit denjenigen nach höchster Zuverläßigkeit. Aus diesem Grunde sind verbesserte Methoden in der Auslegung gefordert, welche eine Beschreibung der jedem System innewohnenden Unbestimmtheit zulassen. Hierfür bilden probabilistische Methoden einen sehr effektiven Ansatz. Mit ihnen ist es möglich, bereits im Auslegungsprozess die Streuung ausgewählter Modellparameter (z.B. geometrische, thermodynamische, mechanische, materialspezifische Parameter) zu berücksichtigen. Mit dieser Auslegungsphilosophie lässt sich das System hinsichtlich deren Sensitivitäten und Robustheit analysieren, Auswirkungen von systemeigenen Unsicherheiten abschätzen und das Systemverhalten in Abhängigkeit definierter Zielfunktionen verbessern.

Obwohl die probabilistischen Methoden seit langem bekannt sind, wird die systematische Anwendung in der industriellen Praxis erst seit einigen Jahren vorangetrieben. Eine Ursache dafür ist, daß sich bei allen probabilistischen Analyseverfahren im Vergleich zu einer klassischen, deterministischen Berechnung durch die Mehrfachausführung der deterministischen Rechnungen ein erhöhter Rechenaufwand ergibt. Dieser Nachteil soll auch in diesem Projekt fokussiert und durch eine effiziente Ergebnisverwertung kompensiert werden. Eine effiziente Bewertung eines Systems hinsichtlich Sensitivitäten, Robustheit und Systemverbesserung ist mit sogenannten Metamodellen möglich. Voraussetzung dafür ist, dass die Metamodelle das Systemverhalten gut widerspiegeln. Dieses Systemverhalten kann innerhalb der Turbomaschinenauslegung stark nichtlinear und nichtmonoton sein. Dieses Verhalten numerisch zu beschreiben, wird die Herausforderung des Vorhabens. Kernpunkte für dieses Vorhaben bilden daher die Weiterentwicklung systembeschreibender Metamodelle und darauf basierend, die effiziente Bewertung des Systems hinsichtlich Sensitivitäten, Robustheit und Systemverbesserung.

Neben der probabilistischen Beschreibung und Bewertung auftretender Nichtlinearitäten, welche beispielsweise mit inelastischen Werkstoffverhalten oder Kontaktanalysen zusammenhängen, soll in diesem Projekt aufgezeigt werden, welche Nichtlinearitäten für ausgewählte industrienahe Anwendungsfälle zu berücksichtigen sind. Dabei sollen Nichtlinearitäten, welche im Vergleich zur Auswirkung der Eingangsgrößenstreuung geringe Auswirkungen haben, unberücksichtigt bleiben. Ziel ist es dabei abzuschätzen, welcher numerische Aufwand sich lohnt und wo größere Aussageverbesserungen ermöglicht werden.

Projektleiter:	Prof. Dr. - Ing. Konrad Vogeler
Bearbeiter:	Dipl.-Ing. Lars Högner
Wissenschaftliche Zusammenarbeit:	LuFo V
Finanzierung:	Bund, Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG
Laufzeit:	01/2014 - 12/2016

CT-Scans der 20 Schaufeln und überführen der Messungen in STL-Files
Innerhalb des Vorhabens wird bei 20 Turbinenschaufeln mittels Computertomographie die Innengeometrie vermessen.

Auftrennen und Vermessen der Schaufeln mittels Streifenprojektion
Im nächsten Arbeitsschritt werden 5 Schaufeln mittels Drahterodieren aufgeschnitten. Anschließend werden die Schaufelhälften mit einer optischen Messmethode, dem Streifenprojektionsverfahren, vermessen. Diese Messergebnisse dienen zur Validierung der CT-Messergebnisse.

Aufbau eines parametrischen Geometriemodells zur Abbildung der herstellungsbedingten Geometrieabweichungen
Die Datensätze der Innengeometrie werden im Anschluss an den Scan-Prozess statistisch ausgewertet, wobei möglichst physikalische Parameter zur Beschreibung der geometrischen Variabilität Verwendung finden sollen. Die statistische Auswertung dieses Datensatzes stellt die Basis für die nachfolgend durchzuführenden probabilistischen strukturmechanischen Berechnungen dar.

Durchführen von probabilistischen Simulationen zur Untersuchung der Auswirkungen der herstellungsbedingten Geometrieabweichungen auf die Lebensdauer von Hochdruckturbinenschaufeln
Nach der Abschätzung der numerischen Stabilität der deterministischen Kette des Bewertungsprozesses wird eine probabilistische Simulation des strukturmechanischen Verhaltens der Turbinenschaufeln unter Berücksichtigung der gemessenen Produktionsstreuungen durchgeführt. Ziele der Untersuchung sind neben den Sensitivitäten der Ergebnisgrößen auch die Beschreibung der strukturmechanischen Robustheit der Turbinenschaufellebensdauer.

Projektleiter:	Prof. Dr. - Ing. Konrad Vogeler
Bearbeiter:	Dipl.-Ing. David Pusch
Wissenschaftliche Zusammenarbeit:	AG TURBO COOREFLEX-turbo
Finanzierung:	Bund, Siemens AG
Laufzeit:	01/2014 - 12/2016

Die Auslegung von Dampfturbinenkomponenten erfolgt traditionell mittels deterministischen Methoden, wobei typischer Weise die zulässigen Belastungen auf Basis von festen Sicherheitsfaktoren erfolgen. Die Festlegung der Sicherheitsfaktoren geschieht dabei häufig in Anlehnung an den Stand der Technik (z.B. auf der Grundlage von Druckbehälternormen) oder empirisch auf Basis von Betriebserfahrungen. Der Nachteil einer deterministischen Sichtweise kann sich in einer überdimensionierung von Dampfturbinenkomponenten auswirken. Die Zielsetzung des Vorhabens ist es, mit den probabilistischen Methoden eine mögliche Konservativitäten im Auslegungsprozess aufzuzeigen und diese Konservativitäten zu Gunsten flexibler Fahrweisen und Wirkungsgradsteigerungen aufzugeben und gegebenenfalls Einsparung von Fertigungsressourcen zu nutzen. Weiterhin soll ein bei dem Industriepartner vorhandenes Ersatzmodell zur Ermittlung des Lebensdauerverbrauches innerhalb eines Zyklus´ optimiert und validiert werden. Mit diesem Ersatzmodell wird im Betrieb der Lebensdauerverbrauch der Dampfturbinen abgeschätzt. Werden diese Schätzungen mit den Erkenntnissen des Vorhabens exakter, führt dies bei gleichem Ressourcenverbrauch zu einer besseren Auslastung der Maschine.

Projektleiter:	Prof. Dr. - Ing. Konrad Vogeler
Bearbeiter:	Dipl.-Ing. Robin Schmidt
Wissenschaftliche Zusammenarbeit:	UMRIDA
Finanzierung:	EU
Laufzeit:	09/2013 - 09/2016

Virtual prototyping (VP) is a key technology for environmental friendly and cost effective design in the aircraft industry. However, the underlying analysis and simulation tools (for loads, stresses, emissions, noise), are currently applied with a unique set of input data and model variables, although realistic operating conditions are a superposition of numerous uncertainties under which the industrial products operate (uncertainties on operational conditions, on geometries resulting from manufacturing tolerances, numerical error sources and uncertain physical model parameters). Major new developments in this new scientific area of Uncertainty Management and Quantification (UM and UQ) and Robust Design methods (RDM) are needed to bridge the gap from the current State of the Art to the level of industrial readiness where large numbers of simultaneous uncertainties can be treated in analysis and design. This is the main objective of the UMRIDA project, which has the following action lines:

• Address major research challenges in both UQ and RDM to develop new methods able to handle large numbers of simultaneous uncertainties, generalized geometrical uncertainties in design and analysis within a quantifiable objective of a turn-around time acceptable for industrial readiness in VP systems.
• Apply the UQ and RDM methods to representative industrial configurations. To respond to the validation requirements of advanced UQ and RDM, a new generation of database, formed by industrial challenges, provided by the industrial partners, with prescribed uncertainties, is established.
• The methods developed will be assessed quantitatively towards the industrial objectives on this database, during the project and at two open workshops. The gained experience will be assembled in a Best Practice Guide on UQ and RDM.

It is anticipated that the UMRIDA project will have a major impact on most of the EU objectives for air transport, by enabling design methods to take into account uncertainty based risk analysis, as the treatment of uncertainties enables a rigorous management of performance engagements and associated risks. The UMRIDA partners are 6 European airframe and engine industries, 3 SME’s including the coordinator, and 13 research groups from major aeronautical research establishments and academia. One industrial partner is from Russia and one of the university partners is from the US.

Partner: NUMECA Int.; DASSAULT Aviation; EASN-TIS; ALENIA AERMACCHI; MAN Diesel & Turbo Schweiz; TURBOMECA; NPO-SATURN; ESTECO; ONERA; DLR; INRIA-Sophia; CIRA; CIMNE; CERFACS; TUDELFT; VRIJE UNIVERSITEIT BRUSSEL; WARSAW UNIVERSITY OF TECHNOLOGY; EPFL; LINKOPING University; EADS-IW; STANFORD Univ; TU DRESDEN

Projektleiter:	Prof. Dr. - Ing. Konrad Vogeler
Bearbeiter:	Dipl.-Ing. Paul Voigt
Finanzierung:	Rolls-Royce plc
Laufzeit:	02/2015 - 02/2016

Building on the findings of Phase I and II, the functionality of the software „Blade2Parameter“, which was developed at the chair of Turbomachinery and Jet Propulsion, is extended to rebuild the geometry of several turbine components based on optical measurement data. Within this scope, the focus is on the reconstruction of aerofoil, trailing edge slot, fillets and winglets.

In addition to the extraction of profile parameters referring to the traditional NACA parameterisation, algorithms for the reconstruction and parameterisation of nozzle guide vanes (NGV) with branched medial axis are developed.

Projektleiter:	Prof. Dr. - Ing. Konrad Vogeler
Bearbeiter:	Dipl.-Ing. Andre Beschorner
Wissenschaftliche Zusammenarbeit:	LUFO IV
Finanzierung:	Bund, Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG, MTU Aero Engines
Laufzeit:	01/2013 - 12/2014

Deutliche Verbesserungen beim thermischen Wirkungsgrad von Triebwerken sind vor allem durch einen übergang auf neue revolutionäre Kreisprozesse möglich. Dazu gehören z. B. komplexe Formen des Gasturbinenkreisprozesses, Kombinationen mit Dampfturbinen, Konstant-Volumen Verbrennung, und Pulse-Detonation Verbrennung die innerhalb des Vorhabens von den Projektpartnern (Universität Stuttgart, Technische Universität München, Bauhaus Luftfahrt, DLR Köln, Technische Universität Darmstadt) aufgestellt und untersucht werden sollen. Entwicklungslinien zukünftiger Flugantriebe werden bewusst nicht weiter untersucht.

Der Beitrag der TU Dresden ist dabei insbesondere die Risiken aufgrund von Robustheitsuntersuchungen abzuschätzen und damit die Machbarkeit und die Potenziale der revolutionären Kreisprozesse hervorzuheben. Dabei soll untersucht werden, wie Sensitiv diese Prozesse auf Eingangsgrößenstreuungen sind und wie man diese mögliche Empfindlichkeit reduzieren kann.

Projektleiter:	Prof. Dr. - Ing. Konrad Vogeler
Bearbeiter:	Dipl.-Ing. Lars Högner
Finanzierung:	Rolls-Royce plc
Laufzeit:	09/2013 - 12/2014

Building on the findings of Phase I, the functionality of the software „Blade2Parameter“, which was developed at the chair of Turbomachinery and Jet Propulsion, is extended to rebuild the geometry of several turbine components based on optical measurement data. Within this scope, the focus is on the reconstruction of aerofoil, profiled endwalls (PEW) and fillet.

In addition to the extraction of profile parameters referring to the traditional NACA parameterisation, the trailing edge slot is measured automatically. Besides that, the treatment of casted pair components is enabled.

To ensure the functionality of reconstruction and parameterisation algorithms for turbine blades including external cooling holes, a method is developed to locate cooling holes based on optical measurement data and to replace them by smooth surfaces.

Projektleiter:	Prof. Dr. - Ing. Konrad Vogeler
Bearbeiter:	Dipl.-Ing. Thorsten van Lil
Wissenschaftliche Zusammenarbeit:	MAN Diesel & Turbo SE
Finanzierung:	MAN Diesel & Turbo SE
Laufzeit:	11/2012 - 11/2014

Mehrwellenverdichter, wie in der nebenstehenden Abbildung zu sehen, werden bei MAN Diesel & Turbo SE bereits seit mehr als 30 Jahren zur Kompression von verschiedenen Gasen eingesetzt. Insbesondere haben sie sich dabei bei MAN Diesel & Turbo SE für die Kompression von CO2 bis zu Drücken von 200 Bar bewährt. Die Besonderheit bei den auch Getriebekompressoren genannten Maschinen ist dabei, dass mehrere Wellen um ein Großrad angeordnet sind und von diesem angetrieben werden. Da jeweils an den Enden der Wellen ein radiales Laufrad sitzt, kann spätestens nach zwei Stufen die Drehzahl erhöht werden. Dadurch können die Laufräder jeweils mit optimierten Volumenstromkoeffizienten und damit in einem optimierten Wirkungsgradbereich betrieben werden. Außerdem bietet die Bauweise die Möglichkeit hinter jede Stufe eine Zwischenkühlung einzubauen, so dass eine Annäherung an die isotherme Verdichtung möglich ist.

Durch die Anordnung der Wellen um das Großrad kann es zu Kollisionen der einzelnen Spiralen untereinander oder mit der Kupplung kommen. Um das konstruktiv zu unterbinden, muss der Großraddurchmesser entsprechend vergrößert werden. Jedoch steigt der Preis mit jedem Millimeter Durchmesser des Großrads erheblich an. Eine Möglichkeit die Baugröße zu reduzieren ist, es die Diffusor zu verkleinern. In den Diffusoren soll die Geschwindigkeit aus dem Fluid genommen werden und die Strömung umgelenkt werden. Bisher sind die Diffusoren meist unbeschaufelt ausgeführt. Beschaufelte Diffusoren können dagegen mit geringeren Durchmesserverhältnissen ausgeführt werden, da über die Schaufeln der Strömungspfad und somit die Umlenkung vorgegeben wird. Durch den kleineren Diffusor können auch kleinere Spiralen verwendet werden und dadurch das Großrad verkleinert werden, was eine erhebliche Reduzierung der Kosten bedingen würde. Allerdings sind Schaufeln auch ein Verlustfaktor und je nach Schaufelgeometrie, reagieren sie sensibel auf den Strömungswinkel.

Innerhalb des Projekts sollen mithilfe probabilistischer Simulationen eine geeignete Konstruktion erstellt werden, die eine reduzierte Baugröße besitzen, einen gleichwertigen oder besseren Wirkungsgrad besitzen (im Vergleich zum unbeschaufelten Diffusor) und zudem einen breiten Betriebsbereich zulassen. Dazu wird ein automatisierter Algorithmus aufgestellt, der innerhalb der Simulation die Eingangsgrößen verändert, das CAD-Modell aktualisiert und daraus ein CFD-Modell erstellt, mit dem die Rechnung durchgeführt wird.

Die Konstruktion ist ebenfalls auf seine Festigkeit zu untersuchen und wird zum Abschluss des Projekts von MAN Diesel & Turbo gefertigt und im Prüfstand getestet.

Projektleiter:	Prof. Dr. - Ing. Konrad Vogeler
Bearbeiter:	Dipl.-Ing. Robin Schmidt
Wissenschaftliche Zusammenarbeit:	ECEMP E1
Finanzierung:	Im Rahmen der Sächsischen Landesexzellenzinitiative ECEMP
Laufzeit:	05/2012 - 04/2014

An Turbinenschaufeln von Flugtriebwerken und stationären Gasturbinen werden aus wirtschaftlichen und ökologischen Gründen immer höhere Anforderungen gestellt. Dabei treten Beanspruchungen auf, die an die Grenze der Werkstoffbelastbarkeit gehen. Geometrische Fertigungstoleranzen und streuende Gefügequalität und Porosität, die während des Gießprozesses auftreten, haben einen großen Einfluss auf die Belastbarkeit des Turbinenschaufelwerkstoffes und damit auf die Lebensdauer der Turbinenschaufel.

Um diese Produktionsstreuungen bei gleichzeitig deutlich kürzerer Entwicklungszeit für den Gussprozess zu reduzieren, soll im Projekt ECEMP E1 die vollständige Prozesskette von der Gießprozessentwicklung bis zur Bauteilprüfung am Beispiel von gekühlten Schaufeln für Gasturbinen abgebildet und probabilistisch analysiert werden.

Am Lehrstuhl von Prof. Vogeler sollen die probabilistischen Untersuchungen des Gießprozesses durchgeführt werden. Dadurch soll neben einer Verbesserung der Effizienz und der Robustheit des Herstellungsprozesses eine Steigerung der Qualität des Gießproduktes ermöglicht werden. Weiterhin soll die Verteilung der Materialqualität über die Schaufel in Abhängigkeit von geometrischen und gießtechnischen Parametern erfasst und der Lebensdauerberechnung (FE-Rechnungen) zur Verfügung gestellt werden. Dadurch wird eine zuverlässigere Lebensdauerbewertung der Turbinenschaufeln ermöglicht.

Projektleiter:	Prof. Dr. - Ing. Konrad Vogeler
Bearbeiter:	Dipl.-Ing. Kay Heinze
Finanzierung:	über Aeroblisk mit Rolls-Royce Deutschland
Laufzeit:	03/2013 - 02/2014

Deutliche Verbesserungen beim thermischen Wirkungsgrad von Triebwerken sind vor allem durch einen übergang auf neue revolutionäre Kreisprozesse möglich. Dazu gehören z. B. komplexe Formen des Gasturbinenkreisprozesses, Kombinationen mit Dampfturbinen, Konstant-Volumen Verbrennung, und Pulse-Detonation Verbrennung die innerhalb des Vorhabens von den Projektpartnern (Universität Stuttgart, Technische Universität München, Bauhaus Luftfahrt, DLR Köln, Technische Universität Darmstadt) aufgestellt und untersucht werden sollen. Entwicklungslinien zukünftiger Flugantriebe werden bewusst nicht weiter untersucht.

Der Beitrag der TU Dresden ist dabei insbesondere die Risiken aufgrund von Robustheitsuntersuchungen abzuschätzen und damit die Machbarkeit und die Potenziale der revolutionären Kreisprozesse hervorzuheben. Dabei soll untersucht werden, wie Sensitiv diese Prozesse auf Eingangsgrößenstreuungen sind und wie man diese mögliche Empfindlichkeit reduzieren kann.

Projektleiter:	Prof. Dr. - Ing. Konrad Vogeler
Bearbeiter:	Dipl.-Ing. Jens Scharfenstein
Wissenschaftliche Zusammenarbeit:	LUFO IV
Finanzierung:	Rolls-Royce Deutschland, Bund
Laufzeit:	03/2011 - 03/2013

Aufbauend auf den Ergebnissen des HolisTurb-Vorhabens, soll in diesem Vorhaben ein Prozess zur aerodynamischen Bewertung der Performance von Turbinenschaufeln einer Rolls-Royce Deutschland Hochdruckturbine, unter Berücksichtigung der Produktionstoleranzen, aufgestellt werden. Mit der vorhandenen Parametrisierung gilt es, ein CFD-Modell zur automatischen Bewertung der Realgeometrie-Effekte zu erstellen. Hierfür wird auf ein vorhandenes Modell von RRD zurückgegriffen, welches unter Beibehaltung der Randbedingungen parametrisiert wird.

Nach der Abschätzung der numerischen Stabilität der deterministischen Kette des Bewertungsprozesses soll eine probabilistische Simulation des aerodynamischen Verhaltens der Turbinenschaufeln unter Berücksichtigung der gemessenen Produktionsstreuungen durchgeführt werden. Ziele der Untersuchung sind neben den Sensitivitäten der Ergebnisgrößen auch die aerodynamische Robustheit der Turbinenschaufeln.

Projektleiter:	Prof. Dr. - Ing. Konrad Vogeler
Bearbeiter:	Dipl.-Ing. Ilko Reuter
Wissenschaftliche Zusammenarbeit:	AG TURBO 2020
Finanzierung:	Bund, Rolls-Royce Deutschland, MTU Aero Engines
Laufzeit:	03/2011 - 02/2014

Aufgrund eines möglichst effektiven Betriebs von Flugtriebwerken oder stationären Gasturbinen unterliegen deren rotierenden Bauteile einer hohen strukturmechanischen und strukturdynamischen Beanspruchung. Das Bauteilversagen wird dabei maßgeblich durch die Parameter: Temperatur, Fertigungsgenauigkeit, Sicherheitsfaktoren, mechanische Belastung, Zyklen Anzahl, Werkstoff und der Belastungsdauer bestimmt.

Vor allem die Rotorschaufeln sowie -Scheiben von Gasturbinen unterliegen einem hohen Temperaturbereich wobei die Werkstoffe bis an ihre Belastungsgrenzen geführt werden und somit ein starker Einfluss auf die Lebensdauer der Bauteile genommen wird. Um einen sicheren und effizienten Betrieb dieser Maschinen zu gewährleisten ist die Kenntnis bzw. Prognose über die Lebensdauer der Bauteile unumgänglich. Gleichzeitig spiegelt sich dieses Verhalten in den Betriebskosten und Wartungsintervallen der Anlagen wieder.

Variationen in den Eingangsgrößen werden bei herkömmlichen, deterministischen Lebensdauerberechnungen durch geeignete Sicherheitsfaktoren oder konservativen Annahmen berücksichtigt. Probabilistische Herangehensweisen ermöglichen hingegen eine direkte bzw. gezielte Untersuchung der Parameterstreuungen. Dadurch lassen sich gegebenenfalls einflussreiche Parameter früher erkennen und in den Auslegungsprozess mit integrieren.

Im Rahmen dieses Projekts wird am Beispiel von Verdichter- und Turbinenscheiben, eine probabilistische FEM-Untersuchung für die Zielgrößen Lebensdauer (Kriechen, zyklische Wechselwirkung) und Integrität (Over-Speed Verhalten) durchgeführt. Dabei sollen die wichtigsten Parameterstreuungen, wie z.B. geometrische, thermodynamische, mechanische oder materialspezifische Parameter berücksichtigt werden.

Die resultierenden Ergebnisgrößen sollen eine Aussage über die Versagenswahrscheinlichkeit der Bauteile treffen. Frühzeitigen Schädigungsbeginn infolge von nicht detektierbaren Fertigungsfehlern aufdecken. Und neben dem verbesserten Verständnis des mechanischen Gesamtverhaltens von Turbinenkomponenten, eine Anpassung von Sicherheitsfaktoren, Wartungs- und Betriebskonzepten ermöglichen.

Projektleiter:	Prof. Dr. - Ing. Konrad Vogeler
Bearbeiter:	Dipl.-Ing. Robin Schmidt
Wissenschaftliche Zusammenarbeit:	ECEMP E1
Finanzierung:	Im Rahmen der Sächsischen Landesexzellenzinitiative ECEMP
Laufzeit:	05/2009 - 04/2012

An Turbinenschaufeln von Flugtriebwerken und stationären Gasturbinen werden aus wirtschaftlichen und ökologischen Gründen immer höhere Anforderungen gestellt. Dabei treten Beanspruchungen auf, die an die Grenze der Werkstoffbelastbarkeit gehen. Geometrische Fertigungstoleranzen und streuende Gefügequalität und Porosität, die während des Gießprozesses auftreten, haben einen großen Einfluss auf die Belastbarkeit des Turbinenschaufelwerkstoffes und damit auf die Lebensdauer der Turbinenschaufel.

Um diese Produktionsstreuungen bei gleichzeitig deutlich kürzerer Entwicklungszeit für den Gussprozess zu reduzieren, soll im Projekt ECEMP E1 die vollständige Prozesskette von der Gießprozessentwicklung bis zur Bauteilprüfung am Beispiel von gekühlten Schaufeln für Gasturbinen abgebildet und probabilistisch analysiert werden.

Am Lehrstuhl von Prof. Vogeler sollen die probabilistischen Untersuchungen des Gießprozesses durchgeführt werden. Dadurch soll neben einer Verbesserung der Effizienz und der Robustheit des Herstellungsprozesses eine Steigerung der Qualität des Gießproduktes ermöglicht werden. Weiterhin soll die Verteilung der Materialqualität über die Schaufel in Abhängigkeit von geometrischen und gießtechnischen Parametern erfasst und der Lebensdauerberechnung (FE-Rechnungen) zur Verfügung gestellt werden. Dadurch wird eine zuverlässigere Lebensdauerbewertung der Turbinenschaufeln ermöglicht.

Projektleiter:	Dr. Marcus Meyer (RRD)
Bearbeiter:	Dipl.-Ing. Kay Heinze
Wissenschaftliche Zusammenarbeit:	Rolls-Royce plc
Finanzierung:	Rolls-Royce plc
Laufzeit:	08/2012 - 02/2013

The objective of this project is on developing an automated tool that converts white light captured scans (i.e. GOM scans) of single aerofoil Turbine components into digital geometry models.

Projektleiter:	Prof. Dr.-Ing. Konrad Vogeler
Bearbeiter:	Dipl.-Ing. Thorsten van Lil
Wissenschaftliche Zusammenarbeit:	AG Turbo
Finanzierung:	MAN Diesel & Turbo SE, Bund
Laufzeit:	06/2010 - 06/2012

Mehrwellenverdichter, wie in der nebenstehenden Abbildung zu sehen, werden bei MAN Diesel & Turbo SE bereits seit mehr als 30 Jahren zur Kompression von verschiedenen Gasen eingesetzt. Insbesondere haben sie sich dabei bei MAN für die Kompression von CO2 bis zu Drücken von 200 bar bewährt. Die Besonderheit bei den auch Getriebeverdichter genannten Maschinen ist dabei, dass mehrere Wellen um ein Großrad angeordnet sind und von diesem angetrieben werden. Da jeweils an den Enden der Wellen ein radiales Laufrad sitzt, kann spätestens nach zwei Stufen die Drehzahl erhöht werden. Dadurch können die Laufräder jeweils mit optimierten Volumenstrom-koeffizienten und damit in einem optimierten Wirkungs-gradbereich betrieben werden. Außerdem bietet die Bauweise die Möglichkeit hinter jede Stufe eine Zwischenkühlung einzubauen, so dass eine Annäherung an die isotherme Verdichtung möglich ist.

Durch die ständigen Schwankungen der Betriebsparameter wie dem Umgebungsdruck oder der Umgebungstemperatur unterliegt der Getriebeverdichter Schwankungen am Saugstutzen, die sich nicht verhindern lassen. Das führt unteranderem auch zu Schwankungen des Gesamtwirkungsgrads.

Ziel des Projektes ist es daher, durch probabilistische Untersuchungen und Optimierung, den Wirkungsgrad nicht nur zu erhöhen sondern ihn auch zu stabilisieren. Dazu muss jedoch der Getriebeverdichter als Gesamtsystem mit seinen unterschiedlichen Disziplinen wie der Aerodynamik, Thermodynamik und Mechanik verstanden werden. Während des Auslegungsprozesses ist eine Kopplung der einzelnen Disziplinen teilweise nur manuell möglich, so dass Wechselwirkungen schwierig zu erfassen sind.
Mithilfe probabilistischer Untersuchungen werden daher innerhalb des Forschungsvorhabens die Zusammenhänge zwischen Eingangs- und Ergebnisgrößen aufgedeckt. Wobei als probabilistische Untersuchungsmethode die Monte-Carlo-Simulation (MCS) verwendet wird. Als deterministisches Modell für die MCS dient dabei eine Kombination der verwendeten Auslegungsprogramme für Getriebeverdichter. Daher ist es erforderlich einen Algorithmus zu erstellen, welcher die unterschiedlichen Programme mit den benötigten Eingangsgrößen versorgt und sie anschließend startet. Die Eingangsgrößen werden in Absprache mit dem Kooperationspartner MAN Diesel & Turbo SE festgelegt. Zur Bestimmung der Verteilungsfunktionen dieser Größen wiederum werden umfangreichen Messkampagnen herangezogen und ausgewertet.

Aus den gewonnen Simulationsergebnissen soll in der finalen Phase des Projekts eine Optimierung stattfinden. Dazu muss eine geeignete Optimierungsstrategie gefunden werden, was jedoch erst möglich ist, wenn alle Einzelschritte der Auslegung in das deterministische Modell aufgenommen worden sind.

Projektleiter:	Dr. Marcus Meyer (RRD)
Bearbeiter:	Dipl.-Ing. Kay Heinze
Wissenschaftliche Zusammenarbeit:	LUFO IV
Finanzierung:	RR Deutschland, Bund
Laufzeit:	01/2009 - 12/2011

Produktionsstreuungen und Verschleiß führen zu Variationen der aerodynamischen, strukturmechanischen und strukturdynamischen Kenngrößen von Turbinenschaufeln. Werden diese Variationen schon in der Auslegungsphase der Turbinenschaufel mit probabilistischen Methoden untersucht, können Rückschlüsse auf das Verhalten real produzierter Schaufeln gezogen werden.

Innerhalb dieses Vorhabens werden 500 gebrauchte Turbinenschaufeln (Abbildung LUFO IV HT, 1) aus einer Rolls-Royce Deutschland Hochdruckturbine mittels optischen Streifenprojektionsverfahren gescannt. Aus den Messdaten der Scans erfolgt anschließend die geometrische Parametrisierung der Schaufel. Es werden u. a. in spanweitenkonstanten Schnitten des Schaufelblatts „NACA“-ähnliche Parameter ermittelt. Weiterhin werden die Verschleißerscheinungen jeder Schaufel kategorisiert. Dabei erfolgt u. a. am Schaufelblatt eine Unterteilung in Blasen, Abplatzungen oder Einschlägen. Diese Kategorisierung wird für jede der 500 Turbinenschaufeln durchgeführt. Dadurch entstehen sowohl für jede Kategorie als auch für alle geometrischen Parameter verschiedene Verteilungsarten mit entsprechenden Verteilungsparametern.

Mit den Messdaten der gebrauchten Schaufeln werden in einem weiteren Schritt parametrisierte Analysemodelle zur probabilistischen Untersuchungen hinsichtlich der Aerodynamik und Strukturmechanik erstellt und in den Rolls-Royce Schaufeldesignprozess integriert.

Projektleiter:	Prof. Dr.-Ing. Konrad Vogeler
Bearbeiter:	Dipl.-Ing. Alexander Lange
Wissenschaftliche Zusammenarbeit:	LUFO IV
Finanzierung:	RR Deutschland, Bund
Laufzeit:	01/2007 - 12/2009

Ziel des Vorhabens „Verdichterauslegung nach Robustheits- und Kostenaspekten“ ist es die Fertigungstoleranzen von Verdichterschaufeln quantitativ zu erfassen, in eine parameterbasierte Beschreibung zu überführen und unter Verwendung von numerischen Simulationen ihren Einfluss auf die aerodynamische Performance des gesamten Verdichters zu bestimmen.

Im Rahmen des Projektes werden Laufschaufeln des Rotor 3, 6 und 9 aus dem Hochdruckverdichter des Rolls-Royce Triebwerks BR 710 mittels Streifenprojektionsverfahren optisch gescannt. Dies geschieht mit dem Scansystem Kolibri Flex der Firma IVB aus Jena. Die Auswertung erfolgt mit einem am Institut entwickelten Algorithmus, der auf rotationssymmetrischen Schnittebenen die Profilparameter der gescannten Schaufeln bestimmt. Hierzu werden die Profile zurückgeführt auf Skelett- und Sehnenlinie woraus die Zerlegung in Dicken- und Wölbungsverteilung abgeleitet wird. Als Parameter können ingenieurtechnische Größen wie z.B. Sehnenlänge, Staffelungswinkel, Dicke von Vorder- und Hinterkante, maximale Profildicke und Profilwölbung sowie deren Rücklage abgeleitet werden. Stapelungsgesetze ermöglichen im Anschluss das Zusammenführen der Schnitte und gewährleisten somit die parameterbasierte dreidimensionale Beschreibung der Schaufeln. Die gesamte Auswertung erfolgt direkt auf den Punktewolken, eine Flächenrückführung ist daher nicht erforderlich.

Als Ergebnis der Auswertung folgen für jede Laufschaufelreihe die Profilparameter mit ihrem statistischen Charakter (Streuung, Mittelwert, Korrelation zu anderen Parametern). Die Einflüsse der Parameter auf die aerodynamischen Kenngrößen (Profilverlust, Profilumlenkung) werden durch die dreidimensionale numerische Strömungssimulation (CFD-Programm: NUMECA FINE TURBO) mit Hilfe einer Monte-Carlo-Simulation (MCS) ermittelt. Hierzu wird die Geometrie der Verdichterschaufel unter Verwendung des Parametermodells variiert (Morphing), wobei die Differenzen der gescannten Parameter zur CAD-Geometrie auf die CFD-Geometrie überlagert werden. Somit ist es möglich, die bei den Schaufeln gemessenen Streuungen direkt in die Welt der numerischen Strömungsmechanik zu übertragen und zwar ohne die Zwischenstation der Flächenrückführung und ohne zeitaufwendige Neuvernetzung des Rechengebietes.
Die so erzeugte Realisierung entspricht nicht 1:1 einer gescannten Schaufel, vielmehr gilt, dass alle Realisierungen der MCS der Statistik aller gescannten Schaufeln genügen, d.h. hinsichtlich Mittelwert, Streuung und Korrelationen der Profilparameter untereinander entsprechen. Mit diesem Ansatz ist es möglich beliebig viele Realisierungen zu erzeugen und die MCS z.B. an einem Viertelkreis mit ca. 15 Schaufeln durchzuführen. In diesem Zusammenhang gewinnt der Ansatz des Morphing an Bedeutung, womit individuelle Schaufeln in dem CFD-Netz des Viertelkreises abgebildet und somit der Einfluss weiterer Effekte, wie z.B. die Aufweitung bzw. die Verengung des Strömungsquerschnittes ermittelt werden kann.

Um die fertigungsbedingten Streuungen der Kennwerte des gesamten Verdichters zu bestimmen, werden S2- oder THROUGHFLOW-Rechnungen durchgeführt. Die bei den vorangegangenen 3D-CFD-Rechnugnen einer Schaufel berechneten Korrelationen zwischen den Profilparametern und den aerodynamischen Kenngrößen definieren hierbei die Randbedingungen der S2-Simulation.

Als Ergebnis des Projektes verspricht man sich durch Auswertung der Sensitivitätsanalyse Kenntnis darüber zu gewinnen, welche Profilparameter besonders großen Einfluss auf die Performance des Verdichters haben und welche nicht. Interessant wird dies für die Fertigungs- und die Qualitätssicherung. Hier können Toleranzen der Parameter verkleinert werden, wenn ihr Einfluss entscheidend oder vergrößert werden, wenn ihr Einfluss gering ist. Gegebenenfalls sind, durch Reduktion der Qualitätssicherungsmaßnahmen wenig einflussreicher Parameter, Kosteneinsparungen möglich.
Eine Bewertung des Designs hinsichtlich Robustheit ist mit dem entwickelten Modell ebenfalls möglich. So kann analysiert werden, welchen Performanceverlust die Parameter innerhalb ihrer fertigungsbedingten Streubreite hervorrufen. Ist die änderung der Ergebnisgröße (z.B. Wirkungsgrad) bei Berücksichtigung der streuenden Eingangsdaten (Profilparameter) gering, so spricht man von einem robusten Design.

Projektleiter:	Prof. Dr.-Ing. Konrad Vogeler
Bearbeiter:	Dipl.-Ing. Kay Heinze
Wissenschaftliche Zusammenarbeit:	LUFO III
Finanzierung:	RR Deutschland, Bund
Laufzeit:	03/2007 - 12/2008

In dem Vorhaben „Predicition of Life Cycle Behavior of a High Pressure Compressor “ werden Schaufeln des dritten Rotors aus dem Hochdruckverdichter des Rolls-Royce Triebwerks BR 715 mittels Streifenprojektionsverfahren optisch gescant. Die Schaufeln stammen aus den unterschiedlichsten Triebwerken, die sich in Betreiber, Laufzeit und Einsatzort unterscheiden. Zum Einsatz kommt das Scansystem Kolibri Flex der Firma IVB aus Jena, das einen Zugriff auf die Rohdaten ermöglicht und mit dem die Vermessung der Schaufeln vollautomatisch durchgeführt werden kann. Die Rohdaten der gemessenen Schaufeln werden zur Parametrisierung von 21 Schaufelschnitten im Schaufelblatt verwendet. Aufgrund von Fertigungstoleranzen, Abnutzungserscheinungen, Laufzeit, Einsatzort und Operator gleicht keine Schaufel einer anderen. So entstehen für alle Parameter Streuungen und Mittelwerte. Das Ziel des Vorhabens ist, mit allen Parametern eine statistische Analyse durchzuführen und Schadensfunktion aufzustellen, die die Abnutzungserscheinungen eines Triebwerkes unter Berücksichtigung von Einsatzort und Operator voraussagen. Da die BR 715 überwiegend von Operator 1 eingesetzt wird, ist es für diesen Operator möglich, die Schadensfunktion statistisch sicher aufzustellen. Für weitere Operator, die nur wenige Triebwerke im Einsatz haben werden die Schadensfunktionen von Operator 1 mit den gemessenen Triebwerken des anderen Operator abgeschätzt (Abbildung LUFO III, 1).

Anschließend werden die Daten dem Leistungsrechnungsprogramm Casino von Rolls-Royce Deutschland zugeführt, mit dem eine Vorhersage des Wirkungsgrades ermöglicht wird. Weiterhin wird die Entwicklung von Einschlägen über die Betriebszeit untersucht. Mit einem am Lehrstuhl entwickelten Programm werden die Messpunkte jeder vermessenen Schaufel auf Einschläge überprüft. Dabei wird die Oberfläche der Schaufel Stück für Stück abgetastet und es werden Ausgleichsebenen durch die Messpunkte gelegt. Mit der Berechnung der Normaldistanz zur Ausgleichsebene können Einschläge gefunden werden.
Auch hier werden die Einschläge statistisch ausgewertet und eine Entwicklung der Einschlaganzahl über die Laufzeit in Abhängigkeit von Betreiber und Einsatzgebiet soll vorausgesagt werden. Die Mittelwerte und Streuungen aus der Vermessung werden anschließend zum Aufbau von Schaufeleingangsdatensätzen für eine Monte-Carlo-Simulation verwendet, um den Einfluss der Streuungen auf die Dauerfestigkeit des Schaufelblattes zu untersuchen.
Das FE–Netz einer Ausgangsschaufel wird dabei für jede Realisierung auf das mit den Eingangsdatensätzen aufgebaute Schaufelblatt gemorpht. So entstehen Schaufeln mit einem FE-Netz wie sie in der Realität auftreten. Zusätzlich werden für einige große Einschläge FE–Dauerfestigkeitsberechnungen um einen Austausch beschädigter Schaufeln gemäß Wartungshandbuch von RRD zu bestätigen bzw. anzupassen.

Projektleiter:	Prof. Dr.-Ing. Konrad Vogeler
Bearbeiter:	Dipl.-Ing. Thomas Bischoff, Dipl.-Ing. Matthias Voigt
Wissenschaftliche Zusammenarbeit:	AG Turbo III GuD 500 MW auf einer Welle
Finanzierung:	RR Deutschland, MTU, ABB Alstom, Bund
Laufzeit:	11/2005 - 12/2008

Ein Nachteil aller probabilistischen Analyseverfahren ist, dass sich im Vergleich zu einer klassischen deterministischen Berechnung durch deren Mehrfachausführung ein erhöhter Rechenaufwand ergibt. Genau an diesem Punkt soll der theoretische Teil des hiermit beantragten Projekts anknüpfen. Ausgehend von den Erkenntnissen des im Rahmen des Verbundvorhabens „GuD-Kraftwerk – 500 MW auf einer Welle“ durchgeführten Projektes „Probabilistische mechanische Auslegung von Turbinen“ sollen weitere probabilistische Methoden und Verfahren erforscht und in ProSi integriert werden, das den Rechenaufwand bei probabilistischen Untersuchungen weiter verringert. Neben diesem Hauptziel soll des Weiteren die bessere qualitative Beschreibung der Ergebnisgrößen (Ausfallwahrscheinlichkeiten, Sensitivitäten der Ergebnisgrößen, …) der probabilistischen Simulationen mit Hilfe der neuen Methoden erreicht werden. Um die Vorhersage der Lebensdauer bzw. Versagenswahrscheinlichkeit bei thermisch hoch belasteten Turbinenschaufeln unter Anwendung probabilistischer Methoden zum Handwerkszeug in der industriellen Anwendung zu machen, fehlt bisher der abgesicherte Anwendbarkeitsnachweis unter bauteilüblichen Belastungen und bekannter Verteilung der Eingangsgrößen für die Lebensdauerberechnung. Diese Lücke soll mit der Durchführung und Nachrechnung von Bauteilversuchen unter Berücksichtigung der maßgeblichen Schädigungseinflüsse

• Geometrie
• Temperatur,
• Belastungsregime,
• Umgebungsbedingungen und
• mehrachsige Beanspruchungen

geschlossen werden.

Projektleiter:	Prof. Dr.-Ing. Konrad Vogeler
Bearbeiter:	Dipl.-Ing. Matthias Voigt
Wissenschaftliche Zusammenarbeit:	AG Turbo III GuD 500 MW auf einer Welle
Finanzierung:	RR Deutschland, MTU, Alstom, Bund
Laufzeit:	11/2001 - 12/2004

Warum probabilistische Auslegungs-Methoden? Klassische Turbinenauslegungen werden mit festen, deterministischen Eingangsgrößen in den aerodynamischen, kühlungstechnischen und strukturmechanischen Modellen durchgeführt. Da jedem Berechnungsschritt i.a. konservative Annahmen zugrunde liegen, führt der fortgesetzte Konservatismus zu einer meist überkonservativen Beurteilung der Lebensdauer der Komponenten. Im Gegensatz dazu wird in probabilistischen Auslegungsmethoden die Streuung signifikanter Eingangsparameter in die Berechnung einbezogen. Dadurch wird nicht nur wie in klassischen Verfahren ein einzelner, konservativer Wert für die Lebensdauer der Komponente ermittelt, sondern eine Lebensdauerverteilung basierend auf den probabilistischen Eingangsgrößen angegeben. Außerdem können über eine Sensitivitätsanalyse lebensdauerkritische Parameter identifiziert und anschließend optimiert werden. Was soll erforscht werden? Ziel des Vorhabens ist es, den probabilistischen Charakter bestimmter Parameter im Turbinendesign in den Auslegungs- und Optimierungsprozess einzubeziehen. Dabei sind folgende Teilaufgaben zu bearbeiten:

Auswahl geeigneter probabilistischer Methoden und Software-Tools:

• Welche probabilistischen und Sensitivitätsanalyseverfahren stehen zur Verfügung (Monte-Carlo-Simulation, Antwortflächenverfahren, Sensitivitätsanalyse über Rangkorrelationskoeffizienten)?
• Welche Software-Tools sind verfügbar (z.B. Storm, iSight)? Wo sind deren Stärken und Grenzen?

Auswahl geeigneter stochastischer Variablen und Modelle für ihre Beschreibung:

• kühlungstechnische Variablen (z.B. hydraulische Modelle für Schaufelkühlung, Wärmeübergangszahlen und Temperaturen)
• Fertigungstoleranzen (z.B. Wandstärkevariation, Variation der Kühlungsgeometrie)
• Variablen in den Materialmodellen (z.B. E-Modul, thermischer Ausdehnungskoeffizient)

Verfahren zur Verbesserung der Effizienz probabilistischer Methoden:

• Verfahren zur Reduktion der Anzahl der stochastischen Variablen
• Verfahren zur Reduktion der Anzahl der deterministischen Rechnungen
• Parallelverarbeitung / Supercomputing

Die Anwendung probabilistischer Methoden setzt ein Erkennen und Modellieren interdisziplinärer Zusammenhänge beim Turbinendesign voraus. Neben den o.g. Herausforderungen ist daher eine integrierte multidisziplinäre Betrachtungsweise des Designprozesses erforderlich. Dies wiederum ist ein entscheidender Schritt in Bezug auf eine interdisziplinäre Gesamtoptimierung der Total Life Cycle Cost der betrachteten Turbinenkomponenten.

Veröffentlichung innerhalb des Projektes:

M.Voigt, K. Vogeler
Probabilistische mechanische Auslegung von Turbinen
Abschlussbericht zum BMWi Vorhaben 0327091Z

M. Voigt, K. Vogeler, R. Mücke, H. Schlums, K.-H. Becker
Probabilistische Analysen von Turbinenschaufeln
Tagungsband 9. Statusseminar der Arbeitsgemeinschaft DLR, Köln-Porz, 1./2. Dezember 2004

M. Voigt, R. Mücke, H. Schlums, K. Vogeler
Probabilistische Analyse von Turbinenschaufeln unter Berücksichtigung von Geometrieänderungen
Deutscher Luft- und Raumfarhrtkongress 2004, 20.-23. September 2004, Dresden

M. Voigt, R. Mücke, M. Oevermann, K. Vogeler
Probablistic Lifetime Analysis for Turbine Blades Based on a Combined Direct Monte-Carlo and Respond Surface Approach
ASME Turbo Expo GT2004-53439, 49th ASME International Gas Turbine & Aeroengine Technical Congress & Exposition, Vienna, Austria, June 14-17, 2004

M. Voigt, R. Mücke, K. Vogeler
Probabilistic Lifetime Assessment of Turbine Blades
XXXV. Kraftwerkstechnisches Kolloquium: ´Turbomaschinen in Energieanlagen´, Dresden, 23.-24. September 2003

K. Vogeler, M. Voigt, R. Mücke, K.-H. Becker, M. Oevermann
Probabilistische mechanische Auslegung von Turbinen
Tagungsband 8. Statusseminar der Arbeitsgemeinschaft
DLR, Köln-Porz, 5./6. Dezember 2002

Projektleiter:	Prof. Dr.-Ing. Konrad Vogeler
Bearbeiter:	Dipl.-Ing. Thomas Bischoff
Wissenschaftliche Zusammenarbeit:	Siemens Westinghouse Power Generation
Finanzierung:	Siemens Westinghouse Power Generation
Laufzeit:	07/2004 - 07/2007

Das Sekundärluftsytem spielt eine Schlüsselrolle für Leistung und Zuverlässigkeit einer Gasturbine. Gleichzeitig ist es wahrscheinlich das System welches die höchsten Unsicherheiten und Risiken von Fehlfunktionen in sich birgt. Es ist möglich, dass kleinere lokale Abweichungen vom Design große Probleme weiter stromabwärts auslösen, ohne dass der Grund dieser Probleme direkt erkennbar ist. Viele dieser kleinen Abweichungen stammen aus statistischen Streuungen der Geometrie und der Randbedingungen welche sich nicht vermeiden lassen. Um trotzdem ein robustes System zu entwickeln ist es nötig, diese Variabilität und ihren Einfluss auf das Gesamtsystem zu berücksichtigen. Dies kann durch eine probabilistische Simulation des Sekundärluftsystems unter Berücksichtigung der das System dominierenden Eingangsparameter erfolgen. Ausgehend von einem existierenden deterministischen 1D-Strömungsnetzwerk eines bekannten Sekundärluftsystems einer existierenden Maschine sollen probabilistische Modelle einzelner Bauteile, sowie des gesamten Sekundärluftsystems erstellt und untersucht werden.

Die Schwerpunkte dieses Projektes sind:

• Erstellen und Implementieren eines probabilistischen Modells des Sekundärluftsystem,
• Sensitivitätsanalyse um die Parameter zu bestimmen, welche signifikanten Einfluss auf den Sekundärluftverbrauch und die Kühlung bestimmter Bauteile haben,
• Entwicklung ökonomischer Methoden für die probabilistische Analyse des Sekundärluftsystem,
• Vorschläge für lokale Veränderungen des Sekundärluftsystems mit dem Ziel die Robustheit des Systems zu erhöhen.

Veröffentlichung innerhalb des Projektes: T. Bischoff, M. Voigt, E. Chehab, K. Vogeler
Probabilistic Analysis of Gas Turbine Secondary Air Systems
ASME Turbo Expo GT2006-90261, 51st ASME International Gas Turbine & Aero engine Technical Congress & Exposition, Barcelona, Spain, May 8-11, 2006