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Strukturmechanik und CFD Simulation einer Turbomaschine zum Einsatz als Verdichter und Turbine

Mechanical and CFD Analysis of a Turbomachine to Run as a Compressor and a Turbine
 
: Hoang, Duc Huy Marco

:
Volltext urn:nbn:de:0011-n-6085836 (8.3 MByte PDF)
MD5 Fingerprint: b555cea1fc85650c0274e07c2fccbeab
Erstellt am: 11.11.2020


Bochum, 2020, XVI, 94 S., A-N
Bochum, Univ., Master Thesis, 2020
Deutsch
Master Thesis, Elektronische Publikation
Fraunhofer UMSICHT Oberhausen ()

Abstract
Druckluftenergiespeicher ist speziell im Zuge der Energiewende eine vielversprechende Technologie, um größere Energiemengen einzuspeisen und über einen längeren Zeitraum zeitlich zu verschieben. Im Rahmen des Projektes „KompEx LTA-CAES® modular” kommt eine umkehrbare Turbomaschine zum Einsatz. Aufgrund der geringen Größe erzielt die Turbomaschine ihre hohe Leistungsdichte durch größere Rotationsgeschwindigkeiten. Hierdurch entstehen infolge der hohen Fliehkräfte kritische Spannungen im Schaufelfuß. Um dieses Problem zu lösen, werden u. a. Radien zwischen Fuß und Nabe konstruktiv berücksichtigt (Fillet-Radien), die allerdings zu höheren aerodynamischen Verlusten führen.
In der frühen Designphase des Laufrads ist der Trade-Off zwischen zunehmenden aerodynamischen Verlusten und erhöhter Bauteilfestigkeit oftmals nicht bekannt. Mit der Bestimmung der Korrelation zwischen aerodynamischem und strukturmechanischem Verhalten lassen sich die Anzahl der Iterationsschleifen bei der Designerstellung und somit auch die Entwicklungszeiten verkürzen.
Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung des Einflusses der Fillet-Radien eines Laufrads auf das Strömungs- und Festigkeitsverhalten einer radialen Turbomaschine. Zur Bestimmung des Einflusses auf die strömungsmechanischen Gegebenheiten in der Turbomaschine werden CFD Analysen für drei Laufräder mit jeweils verschiedenen Fillet-Radien in Kombination mit anderen Komponenten der Turbomaschine durchgeführt. Zur Ermittlung des Zusammenhangs zwischen den Fillet-Radien und der Strukturmechanik, werden linear-elastische, elastisch-plastische Analysen und Modalanalysen herangezogen.
Die Laufräder mit größeren Fillet-Radien erzielen sowohl im Verdichter- als auch im Turbinenbetrieb einen etwas geringeren Wirkungsgrad. Die Spannungen im Schaufelfuß hingegen werden um einen erheblichen Anteil reduziert und folglich werden geringere plastische Dehnungen hervorgerufen. Somit lässt sich die Turbomaschine durch größere Fillet-Radien bei höheren Drehzahlen betreiben. Aus der Untersuchung geht demnach hervor, dass der Einfluss der Fillet-Radien auf die strukturmechanischen Gegebenheiten deutlich größer ist als auf die strömungsmechanischen.
Auf Grundlage der Erkenntnisse dieser Arbeit lässt sich der Zusammenhang zwischen Fillet-Radius und Strömungs- und Festigkeitsverhalten besser abschätzen, um somit einen Kompromiss zwischen zunehmenden aerodynamischen Verlusten und erhöhter Bauteilfestigkeit finden zu können. Zukünftige Forschungsvorhaben können sich mit der Validierung der Ergebnisse anhand von Prüfstandsdaten und der Optimierung der Geometrie nach den beiden genannten Aspekten beschäftigen.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-608583.html