Ein modulares System zur Nachrechnung und Optimierung hydraulischer Turbomaschinen radialer Bauweise

In der vorliegenden Arbeit wird ein Programmsystem zur Nachrechnung und Optimierung von radialen Turbomaschinen vorgestellt und seine Leistungsfähigkeit anhand von praxisbezogenen Beispielen aufgezeigt. Dabei wird für die schnelle Voroptimierung von Turbomaschinen das Quasi-Navier-Stokes-Verfahren (QNS) betrachtet und mit dem reynoldsgemittelten Navier-Stokes-Verfahren (RANS) verglichen. Es wird nachgewiesen, dass das QNS-Verfahren bei deutlich geringerer Laufzeit ähnliche Ergebnisänderungen bei gegebenen Geometrieänderungen aufweist wie das RANS-Verfahren. Das QNS-Verfahren wird für die Optimierung zweier radialer Pumpenlaufräder genutzt, indem es mit einem frei verfügbaren Genetischen Algorithmus gekoppelt wird. Die Optimierung wird vollautomatisch ohne Benutzereingaben durchgeführt und hat eine deutlich verbesserte Laufschaufelgeometrie als Ergebnis. Außerdem kann das CFD-Experiment weitestgehend automatisiert werden, wobei sowohl die Vernetzung, die Modellierung der Wandreibung sowie die Konfiguration des CFD-Solver NS3D betrachtet werden. Das automatisierte CFD-Experiment wird genutzt, um für eine gegebene Reihe von Radialpumpen 10 1/min nq 90 1/min Kennlinien zu ermitteln. Die ermittelten Kennlinien zeigen für nq 30 1/min einen plausiblen Verlauf, für kleinere nq ergeben sich jedoch noch zu klärende Tendenzen, die der experimentellen Erfahrung widersprechen. Für eine Francis-Turbine mit der Schnellläufigkeit nq = 44 1/min wird das Programm- system genutzt, um ein Kennfeld basierend auf Einzelkanalrechnungen zu ermitteln. Dieses Kennfeld wird mit einem experimentell ermittelten Kennfeld einer Turbine gleicher Schnellläufigkeit verglichen. Mit der Ermittlung des Axialschubs für eine Radialpumpe mit dem nq = 53 1/min kann die Leistungsfähigkeit des Systems bei komplexeren geometrischen Modellen nachgewiesen werden. Dabei werden die Radseitenräume, Spalte, Bohrungen, Spiralgehäuse und Zu- und Ablauf im System modelliert, simuliert und ausgewertet. Die in der Simulation ermittelten integralen Größen weisen die gleichen Richtungstendenzen der Messung auf.