Kurzlehrgang MODERNE AUSLEGUNGSVERFAHREN FÜR VENTILATOREN, WINDTURBINEN, PUMPEN UND TURBOLADER LEHRSTUHL FÜR STRÖMUNGSMECHANIK

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1 Kurzlehrgang MODERNE AUSLEGUNGSVERFAHREN FÜR VENTILATOREN, WINDTURBINEN, PUMPEN UND TURBOLADER LEHRSTUHL FÜR STRÖMUNGSMECHANIK

2 Kurzlehrgang durchgeführt von Lehrstuhl für Strömungsmechanik - Technische Fakultät Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Cauerstr. 4, Erlangen in Zusammenarbeit mit Technische Universität Darmstadt Institut für Fluidsystemtechnik Technische Universität München, Fakultät für Maschinenwesen Institut für Energietechnik - Lehrstuhl für Fluidmechanik Universität Siegen Institut für Fluid- und Thermodynamik Fachgebiet Strömungsmaschinen Fachhochschule Düsseldorf FB 4, Maschinenbau und Verfahrenstechnik Fachgebiet Strömungstechnik und Akustik Hochschule Coburg Fachbereich Maschinenbau und Automobiltechnik Fachgebiet Strömungsmechanik und Strömungsmaschinen Fachhochschule Stralsund Fachbereich Maschinenbau Fachgebiet für Strömungslehre und Strömungsmaschinen ANSYS Germany GmbH - ANSYS CFX & Fluent Otterfing CD-adapco STAR-CCM+ & STAR CD Nordostpark 3-5, Nürnberg NUMECA Ingenieurbüro Türkeistraße 11, Altdorf b. Nürnberg CFturbo Software & Engineering GmbH Friedrichstrasse 20, München CONCEPTS NREC White River Jct., VT, USA Advanced Design Technology Ltd Dilke House, 1 Malet Street, London WC1E 7JN, UK PCA Engineers Ltd Studio2 DeepdaleEnterprisePark, Deepdale Lane, Nettleham, LincolnLN2 2LL, UK Voith Turbo GmbH & Co. KG Voithstr. 1, Crailsheim

3 ZWECK DES KURZLEHRGANGES Aufgrund des großen Interesses am Kurzlehrgang Strömungsmaschinen 2011, findet vom bis zum dieser Kurzlehrgang erneut statt. Es handelt sich allerdings um einen thematisch vollkommen neu aufgelegten Lehrgang, in dem neue Schwerpunkte gesetzt werden. Der Kurzlehrgang hat das Ziel, den Stand des Wissens bzgl. der Anwendung moderner strömungsmechanischer Methoden zur optimierten, direkten und inversen Auslegung von Turbomaschinen im Detail aufzuzeigen und die Teilnehmer hinsichtlich einer Nutzung moderner Auslegungsverfahren anzuleiten. Gleichzeitig soll der Kurzlehrgang eine Plattform darstellen, das bestehende Wissen unter den Teilnehmern, auch durch Diskussionen mit den Vortragenden, umfassend zu ergänzen. Abseits der Vorträge werden bekannte Unternehmen ihre Softwareprodukte für die Auslegung und Nachrechnung von Turbomaschinen vorstellen und den Teilnehmern für Fragen zur Verfügung stehen. Im Rahmen von Vorführungen werden die Teilnehmer auch die Gelegenheit haben, die verschiedenen Softwarepakete in sorgfältig vorbereiteten Anwendungsbeispielen im Einsatz zu sehen. Im Rahmen der Vorträge selbst wird es jedoch keine Produktvorstellungen geben, da sie ausschließlich der Wissensvermittlung dienen. Strömungssimulation eines Staubsaugergebläses samt Motordurchströmung Prof. Dr.-Ing. Philipp Epple, HS Coburg Titelbild: Links: Versuchsventilator mit Luftstromausblasen an den Schaufelhinterkanten, Prof. Dr.-Ing. Thomas Carolus, Univ. Siegen. Rechts: Radial Compressor Dr.-Ing. Thomas Hildebrandt, NUMECA.

4 Inhalt des Kurzlehrganges Der Kurzlehrgang gibt zunächst eine Einführung in den Stand des Wissens in der Entwicklung von Turbomaschinen, mit speziellen Hinweisen für Ventilatoren, Pumpen und Turbolader. Am ersten Thementag werden die Grundlagen der Strömungsmechanik und deren experimentellen Methoden vorgestellt und in Bezug gesetzt zu den hydraulischen und thermischen Turbomaschinen. Der Bezug zu den hydraulischen und thermischen Turbomaschinen wird anhand der bekannten Gleichungen für die Massen-, Impuls- und Energieerhaltung hergestellt. Dabei werden die Voraussetzungen für die Auslegung effizienter Maschinen hergeleitet und diskutiert. Darauf aufbauend werden numerische Verfahren zur Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen vorgestellt. Ihre Genauigkeit bei der Vorhersage charakteristischen Strömungsverhaltens, z.b. Kavitation, wird beleuchtet und es werden die Grundlagen der Aeroakustik von Turbomaschinen sowie CFD basierte Optimierungsverfahren für Strömungsmaschinen dargestellt. Der Tag endet mit Softwarevorstellungen. Am zweiten Thementag werden Auslegungsverfahren und Entwicklungsstrategien für Radial- und Axialventilatoren aufgezeigt. Hier wird der Einfluss der Reynoldszahl und anderer wichtiger Auslegungsparameter wie Rauheit, Spalt und Betriebspunkt ausführlich dargestellt. Entwurfsverfahren für Axial- und Radialventilatoren werden im Vergleich vorgestellt. Der Darstellung von Potential und Einschränkungen eindimensionaler Auslegungsverfahren schließt sich die anschauliche Untersuchung zwei- und dreidimensionaler Einflüsse auf das Strömungsfeld in Turbomaschinen an. Anschließend werden in einem Workshop praktische Kenntnisse zu Auslegungsverfahren für Axialmaschinen vermittelt. Eine Laborführung und Softwarevorstellungen schließen den Tag ab. Am dritten Thementag werden die Radialventilatoren und Pumpen vertiefend dargestellt. Anschließend wird auf die numerische Berechnung kompressibler Strömungen eingegangen und die Auslegung von Radialkompressoren detailliert dargestellt. Danach vermittelt ein weiterer Workshop praktische Kenntnisse zur Auslegung von Radialmaschinen. Anschließend finden zwei Softwarevorstellungen statt. Mit einem gemeinsamen Abendessen, bei dem ein entspannter Austausch zwischen Vortragenden und Teilnehmern stattfinden kann, endet der dritte Tag. Der vierte und letzte Thementag widmet sich den thermischen Turbomaschinen sowie den Wasser- und Windturbinen. Beginnend mit einer Softwarevorführung werden anschließend die Auslegung von thermischen Turbinen und die Grundlagen von Turboladern betrachtet. Es werden inverse Auslegungsverfahren und die Auslegung von Kompressoren für Turbolader behandelt. Nach der Mittagspause werden zunächst die Möglichkeiten und Grenzen der Erzeugung und Speicherung von Energie durch Wasserkraft erläutert. Danach werden die Auslegung und der Entwurf von Wind- und Stromturbinen dargestellt.

5 Sekundärströmungen in einer zweischaufligen Abwasserpumpe M.Sc. O. Litfin, LSTM, Prof. Dr.-Ing. Ph. Epple, HS Coburg Automatisierte Auslegung: 3-D Konstruktion als Grundlage für FEM und CFD Prof. Dr.-Ing. Frank Kameier, FH Düsseldorf Quellenlokalisierung mittels CFD Wirbelstrukturen auf Basis der Invarianten Q des Geschwindigkeitsgradienten Prof. Dr.-Ing. Frank Kameier, FH Düsseldorf

6 Wasserkraftanlage Drei Schluchten (China) mit Laufrad Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. Rudolf Schilling: Technische Universität München Strömungsberechnungen aus Dissertation Magnoli (FLM) Teillastströmungen im Laufrad und Saugrohr einer Francis Turbine Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. Rudolf Schilling: Technische Universität München Links: Rotorblattströmung mit Ablösung aus Dissertation Kronschnabl (FLM) Rechts: Windfarm mit Nachläufen Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. Rudolf Schilling: Technische Universität München

7 Sample impeller O-H grid Sample flow field showing absence of backflow Concepts NREC, Prof. Dr. Japikse Axiale Turbo-Compound Nutzturbine mit Eintrittsdiffusor und Abgassammelgehäuse, Dipl.-Ing. Thomas Vogel, Voith Turbo GmbH & Co. KG Robuste Prozeßautomatisierung und Optimierung eines Axialverdichters mit Spannungs- und Modalanalyse, ANSYS Germany

8 Montag, 18. Februar 2013 VORTRAGSPROGRAMM 08:30-08:50 Anmeldung und Aushändigung der Kursunterlagen 08:50 09:00 Begrüßung und Einführung (Prof. Dr.-Ing. A. Delgado) 09:00 09:50 Entwicklung der Strömungsmechanik und Auswirkungen auf Strömungsmaschinen (Prof. Dr.-Ing. A. Delgado) 09:50 10:40 Aerodynamic design and optimization of wind turbines (Dr.-Ing. Özgüt Ertunç) 10:40-11:00 Pause 11:00-11:50 Strömungsmechanische Grundlagen der Turbomaschinen (Prof. Dr.-Ing. Ph. Epple) 11:50-12:40 Numerische Lösungen der Navier-Stokes-Gleichungen für Strömungsmaschinen (Dr.-Ing. H. Grotjans) 12:40-14:00 Mittagspause 14:00-14:50 Analyse der Genauigkeit numerischer Strömungsberechnungen (Prof. Dr.-Ing. M. Peric) 14:50-15:40 Grundlagen der Aeroakustik der Turbomaschinen (Dr.-Ing. J. Grilliat) 15:40-16:00 Pause 16:00-16:50 CFD basierte Optimierung von Strömungsmaschinen (Grundlagen) (Dr.-Ing. T. Hildebrandt) 16:50-17:00 Pause 17:00-17:30 Softwarevorführung STAR-CCM+ 17:30-18:00 Softwarevorführung ANSYS 18:00-18:30 Softwarevorführung NUMECA

9 Dienstag, 19. Februar :30-09:20 Auslegungsverfahren für Axial- und Radialventilatoren und -gebläse (Prof. Dr.-Ing. Ph. Epple) 09:20-10:10 Aerodynamische Entwurfsverfahren für Axialventilatoren (Prof. Dr.-Ing. T. Carolus) 10:10-10:30 Pause 10:30-11:20 Aeroakustik bei Ventilatoren: Schallentstehung, Berechnung und Minimierung (Prof. Dr.-Ing. T. Carolus) 11:20-12:10 Einfluss von Reynoldszahl, Rauheit, Spalt und Betriebspunkt auf Wirkungsgrad und Druckaufbau bei Radial- und Axialmaschinen (Prof. Dr.-Ing. P. Pelz) 12:10-13:30 Mittagspause 13:30-15:10 Workshop Axialmaschinen (Dipl.-Ing. M. Semel, O. Litfin M.Sc., Prof. Dr.-Ing. Ph. Epple) 15:10-15:30 Pause 15:30-17:10 Laborführung 17:10-17:30 Pause 17:30-18:00 Softwarevorführung zur Auslegung von Axialventilatoren (Prof. Dr.-Ing. T. Carolus) 18:00-18:30 Softwarevorführung CFturbo Moderner Niederdruckaxialventilator mit Sichelschaufeln Prof. Dr.-Ing. Thomas Carolus, Univ. Siegen.

10 Mittwoch, 20. Februar :30-09:20 Radialventilatoren Aerodynamik, Akustik, Festigkeit Beispiele aus der Praxis (Prof. Dr.-Ing. F. Kameier/ S. Schönwald, M.Sc.) 09:20 10:10 Auslegung von Radialventilatoren mittels konventionellem Ähnlichkeitsansatz (Prof. Dr.-Ing. F. Kameier) 10:10-10:30 Pause 10:30-11:20 Grundlagen der Berechnung von hydraulischen Strömungsmaschinen (Dr.-Ing. G. Kreuzfeld) 11:20-12:10 Centrifugal Pump Design and Performance (D. Japikse Ph.D.) 12:10-13:30 Mittagspause 13:30-14:20 Numerische Berechnung kompressibler Strömungen mit Anwendung auf Turbolader (Prof. Dr.-Ing. M. Peric) 14:20 15:10 Centrifugal Compressor Design and Performance (D. Japikse Ph.D.) 15:10-15:30 Pause 15:30-17:10 Workshop Radialmaschinen (Dipl.-Ing. M. Semel, O. Litfin M.Sc., Prof. Dr.-Ing. Ph. Epple) 17:10-17:30 Pause 17:30-18:00 Softwarevorführung TURBOdesign Suite :00-18:30 Softwarevorführung CONCEPTS NREC Gemeinsames Abendessen Radial inflow turbine CFD analysis PCA Engineers

11 Donnerstag, 21. Februar :30-09:00 Softwarevorführung PCA 09:00-09:50 Turbocharger Design: Turbines (G. Cox) 09:50-10:40 Fundamentals of Turbocharging (Dr. N. Baines) 10:40-11:00 Pause 11:00-11:50 Inverse Auslegeverfahren für Turbomaschinen (Prof. Dr. M. Zangeneh) 11:50-12:40 Turbocharger Design: Compressors (C. Robinson) 12:40-14:00 Mittagspause 14:00-14:50 Erzeugung und Speicherung von Energie durch Wasserkraft - Möglichkeiten und Grenzen (Prof. R. Schilling) 14:50-15:40 Wind- und Stromturbinen - Auslegung und Entwurf 15:40-16:00 Pause (Prof. R. Schilling) 16:00-16:30 Verdichterberechnung, Messmethoden und Messtechnik für die Kennfeldbestimmung (Dipl.-Ing. (FH) U. Borchert) 16:30-17:00 Aerodynamische Auslegung von Turbo-Compound Systemen (Dipl.-Ing. T. Vogel) 17:00 Ausklang bei Bier und Brezeln Radial Compressor: 3D Unsteady Calculation Acoustic Signature Dr.-Ing. Thomas Hildebrandt, NUMECA

12 KURSGEBÜHREN UND UNTERLAGEN Die Gebühren für den viertägigen Kurs betragen 890. Die Teilnahmegebühr ist nach 4 Nr. 22a USTG steuerbefreit. Ein Nachlass von 50 wird gewährt, wenn die verbindliche Anmeldung vor dem 15. Januar 2013 erfolgt. Eine Ermäßigung von 50% ist vorgesehen für den zweiten und jeden weiteren Teilnehmer ein und desselben Universitätsoder Hochschulinstituts. Eine Teilnahme an zwei Kurstagen ist zu einem Preis von 590 möglich. Weitere Ermäßigungen können leider nicht gewährt werden. Die Anmeldebestätigung und Rechnungsstellung erfolgt nach Eingang der Anmeldung durch die CWW-Stelle (Campus für wissenschaftliche Weiterbildung) der FAU Erlangen- Nürnberg. Bei Rücktritt von der Anmeldung bis zum 09. Februar 2013 muss eine Bearbeitungsgebühr von 50 (zzgl. MwSt.) erhoben werden. Bei späterer Abmeldung wird die volle Kursgebühr in Rechnung gestellt. Jeder Teilnehmer erhält am Montag, dem 18. Februar 2013, zwischen 8:15 Uhr und 9:00 Uhr einen Ordner mit farbigen Unterlagen zu den jeweiligen Vorträgen. Die Kursgebühren beinhalten die Kursunterlagen, Kaffee und Erfrischungsgetränke sowie Mittagessen und ein gemeinsames Abendessen (voraussichtlich) am dritten Kurstag. Zum Abschluss erhält jeder Teilnehmer ein Teilnahmezertifikat. Den Lehrgang werden wir gemeinsam bei Bier und Brezen ausklingen lassen. VERANSTALTUNGSORT Die Vorträge finden im Kurssaal II des Instituts für Verfahrenstechnik, Cauerstr. 4, Erlangen (Technische Fakultät, Südgelände der Universität). ANMELDUNG Zur Anmeldung senden Sie bitte die beigefügte Anmeldekarte an: RÜCKFRAGEN Lehrstuhl für Strömungsmechanik Universität Erlangen-Nürnberg -Kurzlehrgang STRÖMUNGSMASCHINEN- Cauerstr. 4 D Erlangen Oder per Fax an Bei Fragen zu dem Lehrgang stehen wir Ihnen gerne per Mail oder Telefon zur Verfügung: Telefon: ( ) klg@lstm.uni-erlangen.de Organisationsteam: M.Sc. O. Litfin, Dipl.-Ing. M. Semel, Dipl.-Ing. B. Willinger (LSTM Erlangen) sowie Prof. Dr.-Ing. Ph. Epple (Hochschule Coburg)

13 ÜBERNACHTUNG Die Zimmerreservierung sollte direkt vorgenommen werden. Informationen über Hotels erhalten Sie beispielsweise auf der Internetseite der Stadt Erlangen: ANREISE Bahn: Auto: Flugzeug: Hauptbahnhof Erlangen Buslinie 287 oder 293 Richtung Sebaldus-Siedlung bzw. Technische Fakultät bis Haltestelle Stettiner Straße oder Taxi (ca. 10 Minuten). Von der A3 kommend: Ausfahrt Tennenlohe auf die B4 Richtung Erlangen abfahren. Diese an der Ausfahrt Erlangen Ost / Gräfenberg verlassen und den Kreisverkehr nach links an der zweiten Ausfahrt auf die Kurt-Schuhmacher-Str. verlassen, beim Hinweis auf Universität Südgelände / Technische Fakultät links in die Cauerstraße abbiegen. Von der A73 ( Frankenschnellweg ) kommend: Ausfahrt Erlangen-Bruck auf die Paul-Gossen-Straße/B4 Richtung Erlangen Süd abfahren und weiter auf B4 fahren. Nach ca. 3 km rechts Richtung Gräfenberg/Erlangen-Ost abfahren. Am Ende der Straße links auf die Kurt- Schuhmacher-Str. fahren, beim Hinweis links auf Universität Südgelände / Technische Fakultät in die Cauerstraße abbiegen. Flughafen Nürnberg, Taxi bis zur Technischen Fakultät der Universität Erlangen-Nürnberg (Südgelände), ca. 20 Minuten. KS II LSTM

14 VORTRAGENDE: Prof. Dr.-Ing. habil. A. Delgado: Inhaber des Lehrstuhls für Strömungsmechanik der Universität Erlangen-Nürnberg. Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. R. Schilling: Technische Universität München, Fakultät für Maschinenwesen, Institut für Energietechnik - Lehrstuhl für Fluidmechanik Prof. Dr.-Ing. T. Carolus: Institut für Fluid- und Thermodynamik, Fachgebiet Strömungsmaschinen, Universität Siegen Prof. Dr. D. Japikse: President and CEO of CONCEPTS NREC, White River Junction, VT, USA. Professor Dr.-Ing. F. Kameier: Fachhochschule Düsseldorf, Fachgebiet Strömungstechnik und Akustik Dr. Ing. H. Grotjans: ANSYS Germany GmbH. Dipl. Ing. A. Braune : ANSYS Germany GmbH. Prof. Dr.-Ing. Ph. Epple: Hochschule Coburg, Fachbereich Maschinenbau und Automobiltechnik Dr.-Ing. J. Grilliat: Lehrstuhl für Strömungsmechanik der Universität Erlangen- Nürnberg, Forschungsbereich Fluidakustik Dr.-Ing. Ö. Ertunç: Lehrstuhl für Strömungsmechanik der Universität Erlangen- Nürnberg, Forschungsbereich Fluiddynamik und Turbulenz M.Sc. S. Schönwald: FH Düsseldorf, Fachgebiet Strömungstechnik und Akustik Prof. Dr.-Ing. M. Peric: Entwicklungsleiter CD-adapco, Nürnberg Office Dr.-Ing. G. Kreuzfeld: CFturbo Software & Engineering GmbH Dr. N. Baines: CONCEPTS NREC Prof. Dr.-Ing. P. Pelz: Technische Universität Darmstadt, Institut für Fluidsystemtechnik Dr.-Ing. T. Hildebrandt: NUMECA Ingenieurbüro Dipl.-Ing. (FH) U. Borchert: FH Stralsund, Fachbereich Maschinenbau, Fachgebiet für Strömungslehre und Strömungsmaschinen Prof. Dr. M. Zangeneh: Univ. College London/ ADTechnology C. Robinson: PCA Engineers Limited G. Cox: PCA Engineers Limited Dipl.-Ing. T. Vogel: Voith Turbo GmbH & Co. KG

15 Die Vortragenden bringen ihre Erfahrung im Bereich der Strömungsmaschinen in den Kurzlehrgang ein. Sie stehen für Diskussionen mit den Teilnehmern zur Verfügung. Axialventilator Prof. Dr.-Ing. Peter Pelz, TU Darmstadt Kleinwindturbine mit Windmessmasten an der Uni Siegen Prof. Dr.-Ing. Thomas Carolus, Univ. Siegen. Gasturbinen-Schnittmodell Dipl.-Ing. (FH) Uwe Borchert Fachhochschule Stralsund.

16 Analyse der Strömung und des Wärmetransports in der Turbine eines Turbochargers mit verstellbaren Leitschaufeln (Bestimmung der optimalen Lage der Leitschaufeln für jeden Betriebspunkt). Quelle: BorgWarner Turbo Systems und CD-adapco; Software: STAR-CCM+ CD-adapco, Prof. Dr.-Ing. M. Peric Anwendung von Transient Blade Row-Methoden für einstufige und mehrstufige Strömungsmaschinen mit Schwingungsanalyse, ANSYS Germany GmbH

17 CFD simulation of a wind turbine Dr.-Ing. Özgür Ertunç, LSTM, Univ. Erlangen-Nürnberg 0,6 0,5 0,4 Cp 0,3 0,2 0,1 Betz limit Theoretical optimization Numerical Simulation 0 4,6 4,7 4,8 4,9 5 5,1 5,2 5,3 TSR Validation of theoretical optimized turbine with simulation Dr.-Ing. Özgür Ertunç, LSTM, Univ. Erlangen-Nürnberg Chord and pitch angle distribution Dr.-Ing. Özgür Ertunç, LSTM, Univ. Erlangen-Nürnberg

18 Anmeldung zum Kurzlehrgang Moderne Auslegungsverfahren für Pumpen, Ventilatoren und Turbolader Kursgebühr: 890,- (4Tage) / 590 (2 Tage) Ermäßigung 50,- vor dem (Zutreffendes bitte ankreuzen) Teilnahme: 4 Tage 2 Tage ( Mo Di Mi Do) (Bitte in Blockschrift ausfüllen) Name:.. Vorname:.. Firma/Institut:... Adresse:..... Telefon: Ort, Datum... Unterschrift