Strömungstechnische Optimierung von Turbomaschinen

Allgemein - Turbomaschinen sind Kraftmaschinen bzw. Strömungsmaschinen, in denen die Strömungsenergie von Dampf, Gas, Wasser bzw. Wind unmittel- bar in Rotationsenergie oder Rotationsenergie in Strömungsenergie umge- setzt wird. Zu den Strömungsmaschinen gehören beispielsweise Propeller, Kreiselpumpen, Ventilatoren und Verdichter.

Ziel der ingenieurtechnischen Analyse von Strömungsmaschinen ist eine Verbesserung der strömungsmechanischen Eigenschaften einzelner Bauteile zur Steigerung des Wirkungsgrades des Gesamtsystems unter Beachtung spezieller Fragestellungen, wie z.B. Kavitation, Wärmeentwicklung, Schwin- gungen, Akustik.

Mittels der Methode der numerischen Strömungsmechanik können detaillierte Einblicke in die physikalischen Prozesse einer Strömungsmaschine gewonnen werden. Mit dem CFD-Modell des kompletten Strömungsraumes einer Strömungsmaschine, der alle wesentlichen stationären und rotierenden Bauteile sowie die umrandenden Strukturen einschließt, können die verschiedenen Betriebszustände einer Turbomaschine berechnet und die dreidimensionalen, zeitabhängigen Strömungsverhältnisse sowie die vielfältigen Wechselwirkungen mit den Wänden und festen Strukturen bestimmt werden.

Im Ergebnis der Simulationen werden neben einer detaillierten Visualisierung der grundsätzlichen Geschwindigkeits- und Druckverteilungen in der Strö- mungsmaschine insbesondere der hydraulische Wirkungsgrad, Temperatur- felder, strömungsinduzierte statische und dynamische Bauteilbelastungen und Schwingungen, Lagerkräfte, Materialabtrag (Erosion) sowie akustische Auswirkungen bestimmt. Die genaue Kenntnis dieser Parameter und deren Wechselwirkungen erlauben hocheffiziente Bewertungen und simulations- gestützte Optimierungen der Maschinen oder ihrer Komponenten.