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Juni 2017
Christian Janke
Ein Beitrag zur automatischen Berechnung von Kennfeldern für Axialverdichter auf Grundlage von dreidimensionaler Strömungssimulation
Diese Arbeit stellt sich zur Aufgabe, das Berechnen von Verdichterkennfeldern in einen automatischen Prozess zu überführen und so das Ermitteln von Kennfeldern von Leerlaufdrehzahl bis zu Drehzahlen größer als die Auslegungsdrehzahl zu ermöglichen. Dabei erfolgt das Berechnen einzelner Drehzahllinien durch das Lösen von verschiedenen Optimierungs- und Nullstellen-Such-Problemen, bei denen Pumpen, Sperren und der max. Wirkungsgrad ermittelt werden. Für Berechnungen von Teillastzuständen werden variable Statoren automatisch rotiert und entsprechende Netze angepasst. Dabei werden Teilspalte sowie Netzzellen-Anzahlen analytisch nachgeführt und Netzqualitäts-beeinflussende Parameter durch Lösen eines Optimierungsproblems eingestellt. Diese Netze werden mit einer geeigneten Startlösung initialisiert, wofür zum Beispiel sogenannte quasi-zweidimensionale Berechnungen und Interpolationsalgorithmen auf Grundlage von Verfahren zur orthogonalen Zerlegung von Matrizen verwendet werden. Anschließende Strömungssimulationen werden von einer Konvergenzkontrolle begleitet, welche die Berechnung abbricht, sobald physikalische Größen wie Wirkungsgrad oder Totaldruckverhältnis konvergiert sind. Mit diesem Prozess werden erfolgreich Drehzahllinien eines 4,5-stufigen Hochdruckverdichters von Leerlaufdrehzahl bis zu 102,5\% der Auslegungsdrehzahl berechnet. Die Betriebspunktanalyse des gewonnenen Prozesses wird abschließend dahingehend erweitert, dass die Rotorgeometrie an den jeweiligen Lastzustand angepasst wird.
Schlagwörter: Verdichterkennfeld; Aerodynamik; 3D CFD; Pumpgrenze; variable Statoren; Netzanpassung; Optimierung; Strömungsfeld-Initialisierung; mehrstufige Verdichter; Prozessintegration; strukturelle Verformung
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