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Investigations into rapid aeroelastic stability estimation in turbomachines for preliminary design
Blocher, Michael
Turbomachines are a vital part of today’s energy and transportation industry. They need to perform reliably in order to maximize profit and minimize costs. Fuel efficiency and exhaust gas property demands need to be considered in order to meet ecological concerns. To meet all these criteria, rotor and stator row geometries of modern turbomachines are more and more often designed with automated optimization tools. To date, these preliminary design tools include aerodynamic efficiency and structural durability considerations. However, the aeroelastic stability of turbomachinery stages is traditionally treated very late in the design process after the end of the automated preliminary design cycle. This practice causes very large costs if a redesign is necessary due to aeroelastic problems.
To include aeroelastic stability considerations into an automated preliminary design tool chain, methods need to be available to assess the flutter susceptibility of a given geometry configuration. There exists a wide range of possible aeroelastic procedures with varying numerical effort and different degrees of accuracy to judge the aeroelastic stability of a given geometry. In order to find a method to estimate the aeroelastic stability with affordable numerical effort for industrial purposes yet with sufficient accuracy, the development of computational performance and numerical aeroelastic methods over the past years is reviewed. It is proposed that scientific methods for aeroelastic stability estimation from ~20-25 years ago might be suitable to be used as preliminary design tools, today.
To investigate the feasibility and accuracy of this proposed approach, three traditional methods for aeroelastic stability assessment covering the affordable range of numerical complexity were considered:
• As a baseline approach which resembles the used approach at DLR ~7 years ago, the possibility of automating and using the energy method in combination with a 3D time-linear RANS solver was investigated. Various approaches of reducing the numerical cost of this approach were evaluated.
• To gauge the absolute minimum of numerical effort possible to generate an aeroelastic assessment, the validity of a one-equation design rule (reduced angular frequency at aerodynamic design point) used in the middle of the 20 th century was investigated.
• Finally, the possibility of using a simpler unsteady aerodynamic method (unsteady potential flow) in combination with the energy method was investigated. To do so, a vortex lattice method was equipped with turbomachinery features to judge its potential to deliver fast and reliable or correctable unsteady aerodynamic results with harmonically deforming blades.
It was concluded that the most promising approach to rapid aeroelastic stability analysis in preliminary design was the use of a 3D time-linear RANS solver in combination with suitable reduction techniques. If the computed cases are selected with a suitable algorithm, this approach might be used in preliminary design of turbomachinery stages, starting today.
Turbomaschinen sind ein unerlässlicher Teil der heutigen Energieversorgung und des Transportwesens. Ihre Zuverlässigkeit trägt dazu bei Gewinn zu maximieren und Kosten zu minimieren. Außerdem müssen Treibstoffverbrauchs- und Abgasanforderungen berücksichtigt werden um ökologischen Gesichtspunkten Rechnung zu tragen. Um alle diese Kriterien erfüllen zu können, wird die Geometrie moderner Turbomaschinenrotoren und -statoren zunehmend mit automatisierten Optimierungswerkzeugen festgelegt. Zum aktuellen Zeitpunkt beinhalten diese Vorauslegungswerkzeuge Kriterien zur Beurteilung der aerodynamischen Effizienz und der strukturellen Festigkeit der Bauteile. Im Gegensatz dazu wird die aeroelastische Stabilität von Turbomaschinenstufen traditionellerweise sehr spät im Auslegungsprozess, also nach dem Ende des automatisierten Entwurfsprozesses, berücksichtigt. Diese Vorgehensweise verursacht sehr hohe Kosten wenn Neuauslegungen aufgrund aero-
elastischer Probleme nötig werden.
Um die Berechnung der aeroelastischen Stabilität in einen automatischen Vorauslegungsprozess zu integrieren, müssen Methoden verfügbar sein um die Flatterneigung einer gegebenen Geometrie zu beurteilen. Es existieren verschiedene aeroelastische Verfahren mit variierendem numerischen Aufwand und unterschiedlicher Genauigkeit mit deren Hilfe die aeroelastische Stabilität einer gegebenen Geometrie beurteilt werden kann. Um eine Methode zu finden die aeroelastische Stabilität mit nach Industriemaßstäben vertretbarem numerischen Aufwand abzuschätzen, wurde die Entwicklung der Rechnerleistung und der numerischen aeroelastischen Methoden untersucht. Es wird die Möglichkeit betrachtet, wissenschaftliche Methoden welche vor ~20-25 Jahren genutzt wurden um die aeroelastische Stabilität abzuschätzen, heute als Vorauslegungswerkzeuge zu nutzen.
Um die Machbarkeit und Genauigkeit dieser Hypothese zu verifizieren, wurden drei traditionelle Methoden der aeroelastischen Stabilitätsbeurteilung untersucht, welche die bezahlbare Bandbreite des numerischen Aufwands abdecken:
• Als Vergleichsmethode, welche dem Vorgehen am DLR vor ~7 Jahren entspricht, wurde die Möglickeit untersucht, die Energiemethode in Verbindung mit einem 3D zeitlinearisierten RANS-Löser zu nutzen. Verschiedene Möglichkeiten, den numerischen Aufwand dieser Methode zu reduzieren, wurden beurteilt.
• Um das absolute Minimum an möglichem numerischem Aufwand auszuloten, welcher nötig ist um eine aeroelastische Aussage treffen zu können, wurde die Belastbarkeit einer Ein-Gleichungs-Auslegungsregel (reduzierte Kreisfrequenz im aerodynamischen Auslegungspunkt) untersucht, welche Mitte des 20. Jahrhunderts genutzt wurde.
• Abschließend wurde die Möglichkeit untersucht, eine einfachere instationäre aerodynamische Methode (instationäre Potentialströmung) in Verbindung mit der Energiemethode zu nutzen. Dazu wurde ein Vortex Lattice Verfahren um diverse Turbomaschinenfunktionen erweitert, um in der Lage zu sein das Potential eines solchen Lösers für schnelle und zuverlässige oder korrigierbare aerodynamische Ergebnisse bei harmonisch schwingenden Schaufeln abzuschätzen.
Aus den Ergebnissen folgt, dass der vielversprechendste Ansatz für eine schnelle aeroelastische Stabilitätsbeurteilung im Vorauslegungsprozess die Nutzung eines 3D zeitlinearisierten RANS-Lösers in Kombination mit geeigneten Methoden zur Reduktion des numerischen Aufwands ist. Wenn eine geeignete Methode zur Auswahl der zu berechnenden Fälle genutzt wird, könnte dieser Ansatz ab sofort im Vorauslegungsprozess von Turbomaschinenstufen genutzt werden.
