Multi-Objective Optimierung eines hoch belasteten Radialverdichter

Optimiertes Laufrad des hochaufladenden Radialverdichters
Optimiertes Laufrad des hochaufladenden Radialverdichters

Ein transsonischer Radialverdichter wurde am Institut für Strahlantriebe und Turbomaschinen, geleitet durch JARA-ENERGY Mitglied Prof. Peter Jeschke, aerodynamisch optimiert. Hierbei kam ein automatisiertes numerisches Optimierungsverfahren zur Anwendung. Die Hauptanwendungsgebiete solcher Verdichter sind unteranderem Turbolader für Schiffsdiesel, Kraftwerke und Diesel-Lokomotiven oder kleinere Gasturbinen, Flugtriebwerke und APUs (Hilfsgeneratoren für Flugzeuge).

Die Ziele bestanden darin den isentropen Wirkungsgrad zu erhöhen und die akustische Signatur zu verringern, indem die Amplitude des Druckes über den Verdichtungsstoß am Eintritt in das Laufrad des Kompressors verringert wurde. Die Optimierung erfolgte an drei Betriebspunkten bei Volllast-Drehzahl. Randbedingungen beziehungsweise Nebenziele der Optimierung waren die Erhaltung des Betriebsbereichs und die Gleichhaltung der spezifischen Arbeitseingabe im Designpunkt. Das Ausgangslaufrad wurde unter Verwendung der heutzutage vorherrschenden Regelgraden-Flächen entwickelt, welche sich aus der Vorgabe des Flankenfräsens ergeben. Um die Vorteile von Freiform-Oberflächen zu untersuchen, wurden die Beschränkungen der Regelgraden-Flächen aufgehoben und es wurden Voll-3D Schaufelprofile zugelassen. Insgesamt wurden 45 Parameter bei der Optimierung variiert.

Die kombinierte geometrische und aerodynamische Analyse zeigt, dass eine vorwärts gefeilte Vorderkante und eine konkave Saugseite an der Spitze der Vorderkante wirksame Gestaltungsmerkmale zur Verringerung der Stärke des Verdichtungsstoßes sind. Darüber hinaus ermöglicht die Schaufelform des optimierten Verdichters einer verbesserten Strömung am Laufradaustritt, was der Hauptgrund dafür ist, warum sich die Leistung des unbeschaufelten Diffusors verbessert. Insgesamt ist in den CFD-Simulationen eine Effizienzsteigerung von 1,4 Prozentpunkten an der Austrittsebene des schaufellosen Diffusors zu verzeichnen. Dieser Vorteil muss durch ein Experiment nachgewiesen werden. Die Messungen hierzu werden in den Jahren 2017/2018 auf dem Radialverdichter-Prüfstand am Institut für Strahlantriebe und Turbomaschinen durchgeführt.

Geändertes Strömungsfeld an der Oberkante des Laufradeintritts
Geändertes Strömungsfeld an der Oberkante des Laufradeintritts

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