Optimierung der Vernetzung von Schaufeln mit Hilfe einer Blockstruktur

Die geometrische Konstruktion von Schaufeln für Turbinen und Verdichtern ist aufwendig und erfordert sehr spezielle Methoden. Es müssen gleichermaßen mechanische Aspekte wie Schwingungen, strömungs- technische Größen und mitunter auch thermodynamische Eigenschaften berücksichtigt werden. Durch die große topologische und geometrische Vielfalt an zu behandelnden Schaufeln ist eine generische Lösung sehr komplex.
Die MTU Aero Engines und atech GmbH haben sich dieser Problematik gestellt. In einem gemeinsamen Projekt ist ein Verfahren entwickelt worden, welches es ermöglicht, eine große Anzahl an Schaufeln mit ihren unterschiedlichsten Randbedingungen in eine Blockstruktur zu zerlegen. Auf diese Blockstruktur kann eine optimale Vernetzung aufgesetzt werden, mit der weitere Erkenntnisse in den Rubriken Strukturmechanik, Thermodynamik und Aerodynamik realisierbar sind.

In der nebenstehenden Abbildung 1 ist eine Verdichterschaufel, wie sie beispielsweise in einem Flugzeugtriebwerk eingesetzt wird, in einer Blockingstruktur skizziert. Sie enthält waagerechte und senkrechte Schnittflächen, aus denen sich das „Blocking“ zusammensetzt.

Abb. 2: Innenbelüftete Turbinenschaufel

Abbi. 1: Blockingstruktur der Schaufelgeometrie

In der Abbildung 3 wird das schrittweise Vorgehen zur Erzeugung der waagerechten Schnittflächen veranschaulicht. Die Schaufel wird von der 3D-Ansicht auf die 2D-Ansicht heruntergebrochen und es werden Schnittkurven erzeugt. Mit einer speziellen geometrischen Funktion werden die Schnittkurven

in der 2D-Ansicht zu Flächen geformt. Dabei rotiert jede einzelne Kurve um die x-Achse. Anschließend werden die Schnittflächen zwischen der Schaufel und der Rotationsfläche ermittelt. Diese bilden den ersten Teil der Blockingstruktur. Das Verfahren wurde für Vollschaufeln ausgelegt und wird in die Entwicklung und Produktion bei der MTU eingesetzt.
Die immer größer werdenden Anforderungen an die Thermodynamik unterliegen einer ständigen Weiterentwicklung dieses Verfahrens. Eine zukünftige Entwicklung wäre ein Konzept, bei welchem das „Blocking“ von der Vollschaufel auf die Hohlschaufel projiziert wird. In einem solchen Projekt könnte eine große Anzahl an weiteren Integritätsbedingungen (constraints) hinzukommen, die neue Techniken
für das „Blocking“ der Hohlschaufel notwendig machen.

Abb. 3: Etappen der waagerechten Schnittflächen-Erzeugung aus der Schaufelgeometrie