AFC: Optimierung von Pumpen und Ventilatoren

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Entwurfs- und Optimierungsprozess einer Turbomaschine

Bei der Optimierung bestehender Produkte oder bei der Neu-Entwicklung von so komplexen Systemen wie Turbomaschinen führt heute kein Weg mehr an der konsequenten Anwendung virtueller Methoden im Entwurfsprozess vorbei. Bei der Auslegung und Optimierung von Turbomaschinen (Pumpen, Ventilatoren, Kompressoren) heisst die Kombination geeigneter Werkzeuge CFturbo – CFD – Protoyp resp. Prüfstand. Durch die konsequente Anwendung des digitalen Entwurfs-und Optimierungsprozesses kann die Anzahl Prüfstandversuche minimiert werden. Die numerische Simulation erlaubt es, kostengünstig so viele Loops wie nötig, aber immer so wenige wie möglich durchzuführen und zielorientiert eine virtuelle Validierung durchzuführen.

Man muss sich vor Augen halten, dass in einer Turbomaschine dreidimensional ausgebildete turbulente Strömungsverhältnisse vorherrschen, die geprägt sein können von Sekundärströmungen, Ablöseerscheinungen, Kavitation etc. Das sind äusserst komplexe Phenomäne, die das Verhalten der Turbomaschine wesentlich bestimmen. Im Entwurfsprozess muss ihnen Rechnung getragen werden.

Ein rein geometrischer Entwurf mithilfe eines general-purpose-CAD-packages ohne Berücksichtigung der Entwurfstheorie für Turboaschinen wird im Allgemeinen sowohl zu einem schlechten Erstentwurf als auch zu einer Vielzahl von iterativen Geometrieveränderungen und anschliessender Funktionstests führen.

Zielführend ist deshalb ein Entwurfsprozess, in dem die Geometrie einerseits parametrisch auf der Basis von wichtigen Turbomaschinengrössen wie z.B. Schaufelwinkel beschrieben werden kann, in dem andererseits Entwurfsalgorithmen auf der Basis von elementaren Erhaltungsgleichungen und empirischen Gesetzen zum Tragen kommen. Damit ist gewährleistet, dass schon der Erstentwurf in der Nähe des Entwurfsziels liegt und dass im anschliessenden Verbesserungszyklus genau die Parameter angepasst werden, von denen man erwartet, dass sie das Entwurfsziel wesentlich beeinflussen. Desweiteren ist es wichtig, dass die Geometrie schnell in eine Simulationsumgebung übergeführt werden kann, damit eine Optimerungsschleife so schnell wie möglich durchlaufen werden kann. An einem Beispiel soll das skizzierte Vorgehen erläutert werden.

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