Leistungs- und Effizienzsteigerung einer Diagonallufterstufe: Von der CFD basierten Optimierung mit FINE/Turbo bis zur Serieneinfuhrung

摘要

Die vorgestellte Untersuchung hat die Entwicklung einer Diagonallufterstufe von der CFD basierten aerodynamischen Optimierung bis zur erfolgreichen. Serieneinfuhrung zum Inhalt. Die Diagonallufterstufe besteht aus einem diagonalen Laufrad und einem axialen Stator. Die numerische CFD basierte Optimierung umfasst die Beschaufelung des Laufrades, die Beschaufelung des Stators, sowie den Meridionalkanal der gesamten Maschine. Ausgehend von einer bereits in Serie gefertigten Basisgeometrie wird zunachst eine aerodynamische Bestandsaufnahme in Form einer CFD Nachrechnung der Lufter-Kennlinie durchgefuhrt. Im nachsten Arbeitsschritt wird die Geometrie des Lufters in eine para-metrisierte Form uberfuhrt. Ein Teil der fur die Geometriedarstellung verwendeten Parameter wird dann zur Optimierung freigegeben. Fur das Laufrad betragt dabei die Anzahl der freien Parameter 25, fur den Stator 20. Fur die Optimierung wird das turbomaschinen-spezifische Optimierungsverfahren FINE/Design 3D von NUMECA International S.A. verwendet. Die parametrisierte Geometrie wird unter Berucksichtigung einer Reihe aerodynamischer, mechanischer und fertigungstechnischer Restriktionen optimiert. Um eine nutzbare Lufterkennlinie zu erhalten, ist die Optimierung in einem Betriebspunkt allein, in der Regel dem Auslegungspunkt, nicht ausreichend. Der Betrieb des Lufters muss uber einen weiten Bereich des Volumenstromes gewahrleistet sein. Aus diesem Grund wurden zusatzlich zum Auslegungspunkt (100% Volumenstrom) noch zwei weitere Betriebspunkte bei 80% bzw. 120% des Auslegungsvolumenstromes simultan mit in die Optimierung einbezogen. Die Zielfunktionen aller drei Betriebspunkte waren dabei unterschiedlich und wurden dynamisch angepasst. Besondere Herausforderung an die Optimierung stellten zum einen die hohen Anforderungen an den zu erreichenden Wirkungsgrad dar, zum anderen war eine einfache Entformbarkeit des spritzgegossenen Fertigteiles zu gewahrleisten. Der letzte Punkt bedeutet fur die Geometriedarstellung des Stators, dass Schaufelzahl, Staffelungswinkel und Umlenkung abhangig voneinander so limitiert werden mussen, dass die Spritzgussform durch den Stator entformt werden kann. Trotz dieser Einschrankungen war die vorgestellte Multipoint-Optimierung ausserordentlich erfolgreich. Die wichtigste aerodynamische Zielsetzung, eine signifikante Erhohung des Wirkungsgrades bei gleichzeitiger Druckerhohung, wurde deutlich ubertroffen. Die angestrebte Stabilitat uber einen weiten Betriebsbereich konnte numerisch und experimentell nachgewiesen werden. Nach Abschluss der numerischen Optimierung wurde das daraus erhaltene Design im Hause RUCK Ventilatoren GmbH gefertigt und in einem Ventilatorenprufstand getestet. Die Ergebnisse des Prufstandversuches entsprechen im Wesentlichen der numerischen Vorhersage.