Kurzlehrgang MODERNE AUSLEGUNGSVERFAHREN FÜR HYDRAULISCHE UND THERMISCHE TURBOMASCHINEN

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1 Campus für wissenschaftliche Weiterbildung Universität Erlangen-Nürnberg Kurzlehrgang MODERNE AUSLEGUNGSVERFAHREN FÜR HYDRAULISCHE UND THERMISCHE TURBOMASCHINEN Ventilatoren, Pumpen, Dampf- und Gasturbinen, Turbolader LEHRSTUHL FÜR STRÖMUNGSMECHANIK

2 KURZLEHRGANG durchgeführt von: Lehrstuhl für Strömungsmechanik Technische Fakultät Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Cauerstr. 4, D Erlangen in Zusammenarbeit mit Technische Universität Darmstadt Institut für Fluidsystemtechnik Universität Siegen Institut für Fluid- und Thermodynamik Fachgebiet Strömungsmaschinen Technische Universität Wien Institut für Energietechnik und Thermodynamik Fachhochschule Düsseldorf FB 4, Maschinenbau und Verfahrenstechnik Fachgebiet Strömungstechnik und Akustik 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 Siemens AG Rheinstr. 100, Mülheim an der Ruhr

3 ZWECK DES KURZLEHRGANGES Aufgrund des großen Interesses am Kurzlehrgang Strömungsmaschinen 2009, findet vom bis zum dieser Kurzlehrgang erneut statt. Allerdings handelt es sich um einen thematisch vollkommen neu aufgelegten Lehrgang, in dem ganz neue Schwerpunkte gesetzt werden. Der Gesetzgeber reagiert auf stetig steigenden Energiekosten mit immer umfassenderen Vorgaben: Neben der vorgeschriebenen Energieverbrauchskennzeichnung für Haushaltsgeräte und Gebäude ( Energy Label ) sind auch die EU-Richtlinien für Emissionsgrenzwerte der Straßenkraftfahrzeuge (Euro 5 und Euro 6 Norm) in den letzten Jahren immer strenger geworden. Die Weiterentwicklung der technischen Möglichkeiten, insbesondere auch der Auslegung effizienter Turbomaschinen, ist deshalb heute mehr denn je notwendig, um Energie effizient nutzen und erzeugen zu können. Übersichtstabelle der Turbomaschinenräder (R.A.Strub: Rotoren der Turbomaschinen Leistung und Schönheit, Technische Rundschau Sulzer, 1/1984) Eine Übersicht der Turbomaschinen findet sich in der obigen Abbildung. Sie spielen bei fast allen Richtlinien und Normen eine zentrale Rolle, so z.b. Lüfter, Gebläse und Pumpen in Haushaltswaren, Gebäuden und Fahrzeugen, Turboladern in Fahrzeugen und auch die Gas- und Dampfturbinen bei der Energieerzeugung. Aus diesem Grund werden sie im Rahmen dieses Kurzlehrgangs besonders berücksichtigt. Der Kurzlehrgang hat das Ziel, den Stand des Wissens bzgl. der Anwendung moderner strömungsmechanischer Methoden zur optimierten, direkten und inversen Auslegung von diesen 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.

4 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 dieser 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. Radialkompressor mit Laufrad und Rückführdiffusor (beschaufelt) im Turbo- Postview, Darstellung der Strömungswinkel (linke Bilder), der Meridiangeschwindigkeit (unten rechts) und der Machzahl (oben links), Dipl.-Ing. A. Braune, ANSYS Germany GmbH. Links: Radialrad mit geschlitzten Diffusor; rechts: Kammerprüfstand nach DIN Dr.-Ing. Philipp Epple, LSTM Titelbid: Links: Mach number results from a coupled impeller/diffuser CFD calculation, Concepts NREC, Prof. Dr. Japikse Rechts: A new high-efficiency radial-inflow turbine upgrade for gasline compressor turbochargers with lower NOx emissions, Concepts NREC, Prof. Dr. Japikse

5 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, Dampf- und Gasturbinen sowie Turboladern. Am ersten Thementag werden die Grundlagen der Strömungsmechanik und deren experimentellen Methoden vorgestellt und in Bezug gesetzt zu den hydraulischen und thermischen Turobmaschinen. Der Bezug zu den hydraulischen und thermischen Turbomaschinen wird anhand der bekannten Erhaltungsgleichungen 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 inverser Auslegungsverfahren für Turbomaschinen dargestellt. Am zweiten Thementag werden Auslegungsverfahren und Entwicklungsstrategien für Radial- und Axialventilatoren aufgezeigt. Hier werden zunächst der Einfluss der Reynoldszahl und anderer wichtiger Auslegungsparemeter wie Rauheit, Spalt und Betriebspunkt ausführlich dargestellt. Entwurfsverfahren für Axial- und Radialventilatoren werden im Vergleich vorgestellt. Der Fokus liegt dabei auf Maschinen axialer Bauart. Der Darstellung von Potential und Einschränkungen eindimensionaler Auslegungsverfahren schließt sich die anschauliche Untersuchung zwei- und dreidimensionaler Einflüsse auf das Strömungsfeld in Turbomaschinen an. Da neben der Energieeffizienz bei Ventilatoren und Gebläsen die Akustik eine zentrale Rolle spielt, werden zudem die Grundlagen der Aeroakustik sowie die Ursachen der Schallentstehung, deren Berechnung und Minimierung behandelt. Am dritten Thementag werden die hydraulischen Turbomaschinen von deren Grundlagen bis hin zu praxisnahen Auslegungs- und Berechnungsverfahren umfassend in vier Vorträgen behandelt. Darauffolgend werden moderne, computergestützte Auslegungsverfahren anhand von Praxisbeispielen umfassend diskutiert und die damit verbundenen Techniken anschaulich dargestellt. Der vierte und letzte Thementag widmet sich den thermischen Turbomaschinen. Aufbauend auf den Grundlagen des ersten Thementags werden hier nun Auslegungsverfahren für Dampf- und Gasturbinen umfassend vorgestellt. Darauf aufbauend wird die Anwendung numerischer Simulationen zur Unterstützung solcher Verfahren von den Grundlagen bis hin zu Detailfragen dargestellt. Nach den Dampf- und Gasturbinen werden die Turbolader in drei Vorträgen behandelt. Es werden moderne Kreisprozesse für fortgeschrittene Turbolader-Auslegungen diskutiert und die Vorgehensweise bei der Auslegung von Turbine und Radialverdichter umfassend dargestellt. Ein Beitrag zu praxisnahen Meßverfahren für Turbolader, von den Grundlagen, über die Sensoren bis hin zum kompletten Prüfstand rundet das Thema ab. Ergänzend zu den Vorträgen werden in zahlreichen Computer-Demonstrationen moderne kommerzielle Softwarepakete für die Auslegung und die Nachrechnung von Turbomaschinen anhand von konkreten Beispielen praxisnah vorgestellt. Ein gemeinsames Abendessen in gediegenem Ambiente am zweiten Thementag rundet das Programm ab.

6 TURBOdesign1 results in reduction of tip vortex/blade interaction noise in an axial flow fan and significant improvement in efficiency. Left: conventional design; right: TURBOdesign1 ADTechnology, Prof. Dr. M. Zangeneh. Links: Aerodynamische Auslegung eines Radiallüfters nach Bommes; Mitte: Spaltströmung zwischen Einlaufdüse und Deckscheibe; Rechts: Strömung durch Prüfstand Prof. Dr.-Ing. Frank Kameier, FH Düsseldorf TURBOdesign1 eliminates cavitation in mixed flow pump with improvement in efficiency. Picture opposite shows the results of cavitation analysis. Left: conventional design; right: TURBOdesign1 ADTechnology, Prof. Dr. M. Zangeneh.

7 VORTRAGSPROGRAMM Montag, 28. Februar 2011 Thema: Grundgleichungen und numerische Lösung mittels CFD 08:15-08:50 Anmeldung und Aushändigung der Kursunterlagen Begrüßung und Einführung (Prof. Dr.-Ing. A. Delgado) Entwicklung der Strömungsmechanik und Auswirkungen auf Strömungsmaschinen (Prof. Dr.-Ing. A. Delgado) Experimentelle Methode der Strömungsmechanik und Anwendungen auf Strömungsmaschinen (Prof. Dr.-Ing. A. Delgado) 10:40-11:00 Kaffeepause 11:00-11:50 Einfluss von Reynoldszahl, Rauheit, Spalt und Betriebspunkt auf Wirkungsgrad und Druckaufbau bei Radial- und Axialmaschinen (Prof. Dr.-Ing. P. Pelz) 11:50-12:40 Numerische Lösungen der Navier-Stokes- Gleichungen für Strömungsmaschinen (Dipl.-Ing A. Braune) 12:40-14:00 Mittagspause 14:00-14:50 Analyse der Genauigkeit numerischer Strömungsberechnungen (Prof. Dr.-Ing. M. Peric) 14:50-15:40 Vorhersage von Kavitation in hydraulischen Turbomaschinen (Prof. Dr.-Ing. M. Peric) 15:40-16:00 Kaffeepause 16:00-16:50 Inverse Auslegungsverfahren für Turbomaschinen (Prof. Dr. M. Zangeneh) 16:50-17:40 Softwarevorführung TURBOdesign Suite 5.0 (Dipl.-Ing L. Bossi) 17:40-18:30 Softwarevorführung ANSYS (Dipl.-Ing A. Braune) 18:30-19:20 Softwarevorführung STAR-CCM+ (J. Gänz)

8 Dienstag, 1. März 2011 Thema: Ventilatoren und Gebläse Aerodynamische und Aeroakustische Auslegung Strömungsmechanische Grundlagen der Turbomaschinen (Dr.-Ing. Ph. Epple) 09:50-10:40 Aerodynamische Entwurfsverfahren für Axialventilatoren (Prof. Dr.-Ing. T. Carolus) 10:40-11:00 Kaffeepause 11:00-11:50 Auslegungsverfahren für Axial- und Radialventilatoren und -gebläse (Dr.-Ing. Ph. Epple) 11:50-12:40 Auslegung von Radialventilatoren mittels konventionellem Ähnlichkeitsansatz (Prof. Dr.-Ing. F. Kameier) 12:40-14:00 Mittagspause 14:00-14:50 Radialventilatoren Aerodynamik, Akustik, Festigkeit Beispiele aus der Praxis (Prof. Dr.-Ing. F. Kameier/Dipl.-Ing. S. Schönwald) 14:50-15:40 Grundlagen der Aeroakustik der Turbomaschinen (Dr.-Ing. J. Grilliat) 15:40-16:00 Kaffeepause 16:00-16:50 Aeroakustik bei Ventilatoren: Schallentstehung, Berechnung und Minimierung (Prof. Dr.-Ing. T. Carolus) 16:50-17:40 Softwarevorführung zur Auslegung von Axialventilatoren (Prof. Dr.-Ing. T. Carolus) 17:40-18:30 Softwarevorführung CFturbo (Dipl.-Ing. R.-P. Müller) 19:30 Gemeinsames Abendessen

9 Lehrstuhl für Strömungsmechanik Universität Erlangen-Nürnberg Kurzlehrgang STRÖMUNGSMASCHINEN Cauerstr. 4 D Erlangen

10 ANMELDUNG NAME: ADRESSE: Tel.-Nr.: Fax-Nr.: Datum: Unterschrift: (Bitte vollständig und gut lesbar in Druckbuchstaben ausfüllen) KURZLEHRGANG MODERNE AUSLEGUNGS- VERFAHREN FÜR HYDRAULISCHE UND THERMISCHE TURBO- MASCHINEN Kursgebühr 690, Ermäßigung 50, vor

11 ANMELDUNG NAME: ADRESSE: Tel.-Nr.: Fax-Nr.: Datum: Unterschrift: (Bitte vollständig und gut lesbar in Druckbuchstaben ausfüllen) KURZLEHRGANG MODERNE AUSLEGUNGS- VERFAHREN FÜR HYDRAULISCHE UND THERMISCHE TURBO- MASCHINEN Kursgebühr 690, Ermäßigung 50, vor

12 Lehrstuhl für Strömungsmechanik Universität Erlangen-Nürnberg Kurzlehrgang STRÖMUNGSMASCHINEN Cauerstr. 4 D Erlangen

13 Mittwoch, 2. März 2011 Thema: Hydraulische Turbomaschinen Grundlagen und Auslegung Grundlagen der Berechnung von hydraulischen Strömungsmaschinen (Dr.-Ing. G. Kreuzfeld) 09:50-10:40 Auslegungs- und Berechnungsverfahren für Pumpen (Dr.-Ing. G. Kreuzfeld) 10:40-11:00 Kaffeepause 11:00-11:50 Einführung in die Allgemeine Auslegung Hydraulischer Turbinen (Dr. N. Baines) 11:50-12:40 Auslegungsverfahren für Pumpen: Untersuchung unterschiedlicher Auslegungen und zugehöriger Daten (Prof. Dr. D. Japikse) 12:40-14:00 Mittagspause 14:00-14:50 Moderne computergestützte Auslegungsverfahren Ein Lexikon und Beispiele (Prof. Dr. D. Japikse) 14:50-15:40 Automatisierte Design- und Simulationsprozesse von rotierenden Maschinen, robustes Design und Optimierung (Dr.-Ing. H. Grotjans) 15:40-16:00 Kaffeepause 16:00-16:50 3D Strömungsphänomene in radialen und diagonalen Turbomaschinen und deren Kontrolle mittels 3D inversem Auslegungsverfahren (Prof. Dr. M. Zangeneh) 16:50-17:40 CFD basierte Optimierung von Strömungsmaschinen - Funktionsweise und Beispiele aus der Praxis (Dr.-Ing. T. Hildebrandt) 17:40-18:30 Softwarevorführung CONCEPTS NREC (Dipl.-Ing. Ilias) 18:30-19:20 Softwarevorführung NUMECA (Dr.-Ing. T. Hildebrandt)

14 Donnerstag, 3. März 2011 Thema: Thermische Turbomaschinen Dampfturbinen, Gasturbinen und Abgasturbolader Grundlagen der Dampfturbinen (Prof. Dr.-Ing. R. Willinger) 09:50-10:40 Grundlagen der stationären Gasturbinen (Prof. Dr.-Ing. R. Willinger) 10:40-11:00 Kaffeepause 11:00-11:50 Unterstützung der Entwicklung von Dampfturbinenkomponenten durch numerische Simulation (Dr.-Ing. F. Deister) 11:50-12:40 Vorstellung der Strömungssimulationen im Detail (Dr.-Ing. N. Sürken) 12:40-14:00 Mittagspause 14:00-14:50 Moderne Motor-Kreisprozess-Anforderungen für fortgeschrittene Turbolader Auslegungen (Dr. N. Baines) 14:50-15:40 Turbinenauslegung für neue Turbolader (Dr. N. Baines) 15:40-16:00 Kaffeepause 16:00-16:50 Auslegung von Radialverdichtern für Turbolader (Prof. Dr. D. Japikse) 17:00-18:00 Messverfahren für Turbolader: Grundlagen, Sensoren und Prüfstände (Dipl.-Ing. U. Borchert)

15 KURSGEBÜHREN UND UNTERLAGEN Die Gebühren für den viertägigen Kurs betragen 690. Die Teilnahmegebühr ist nach 4 Nr. 22a USTG steuerbefreit. Ein Nachlass von 50 wird gewährt, wenn die verbindliche Anmeldung vor dem 15. Februar 2011 erfolgt. Eine Ermäßigung von 50% ist vorgesehen für den zweiten und jeden weiteren Teilnehmer ein und desselben Universitäts- oder Hochschulinstituts. 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 20. Februar 2011 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 28. Februar 2011, zwischen 8:15 Uhr und 9:00 Uhr einen Ordner mit Unterlagen zu den jeweiligen Vorträgen. Die Kursgebühren beinhalten Kursunterlagen, Kaffee und Erfrischungsgetränke sowie Mittagessen und ein gemeinsames Abendessen am zweiten 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, 91058, Erlangen (Technische Fakultät, Südgelände der Universität). RÜCKFRAGEN Bei Fragen zu dem Lehrgang wenden Sie sich bitte an: Kontaktpersonen: Dr.-Ing. Ph. Epple Telefon: ( ) philipp.epple@lstm.uni-erlangen.de Dipl.-Ing. B. Willinger Telefon: ( ) bettina.willinger@lstm.uni-erlangen.de Dipl.-Ing. Henrik Smith henrik.smith@lstm.uni-erlangen.de

16 ÜBERNACHTUNG Ein Hotelverzeichnis der Stadt Erlangen kann mit der Anmeldung angefordert werden. Die Zimmerreservierung sollte direkt über das Hotel oder durch den Verkehrsverein Erlangen e.v. vorgenommen werden: Verkehrsverein Erlangen e.v., Rathausplatz 1, Erlangen,Tel: ( ) , Fax: ( ) , ANREISE Bahn: Hauptbahnhof Erlangen Buslinie 287 oder 293 Richtung Sebaldus-Siedlung bzw. Technische Fakultät bis Haltestelle Stettiner Straße oder Taxi (ca. 10 Minuten). Auto: Von der A3 kommend: Ausfahrt Tennenlohe auf die B4 Richtung Erlangen abfahren. Diese an der Ausfahrt Erlangen Ost / Gräfenberg verlassen und links auf die Kurt-Schuhmacher-Str. abbiegen, beim Hinweis auf Universität Südgelände / Technische Fakultät. 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 abbiegen. Flugzeug: Flughafen Nürnberg, Taxi bis zur Technischen Fakultät der Universität Erlangen-Nürnberg (Südgelände), ca. 20 Minuten. KS II

17 VORTRAGENDE Prof. Dr.-Ing. A. Delgado: Inhaber des Lehrstuhls für Strömungsmechanik der Universität Erlangen-Nürnberg. 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. Dr.-Ing. Ph. Epple: Lehrstuhl für Strömungsmechanik der Universität Erlangen-Nürnberg. Dr.-Ing. J. Grilliat: Lehrstuhl für Strömungsmechanik der Universität Erlangen-Nürnberg. Dipl.-Ing. S. Schönwald: FH Düsseldorf Prof. Dr.-Ing. M. Peric: Entwicklungsleiter CD-adapco,Nürnberg Office. Dr.-Ing. G. Kreuzfeld: CFturbo Software & Engineering GmbH Dr. N. Baines: CONCEPTS NREC, UK Prof. Dr.-Ing. P. Pelz: Technische Universität Darmstadt, Institut für Fluidsystemtechnik Dr.-Ing. T. Hildebrandt: NUMECA Dr.-Ing. F. Deister: Siemens AG Dr.-Ing. N. Sürken: Siemens AG Dipl.-Ing. (FH) U. Borchert: FH Stralsund, Fachbereich Maschinenbau, Fachgebiet für Strömungslehre und Strömungsmaschinen Prof. Dr. M. Zangeneh: Univ. College London/ ADTechnology Prof. Dr.-Ing. R. Willinger: Technische Universität Wien, Institut für Energietechnik und Thermodynamik

18 Die Vortragenden bringen ihre Erfahrung im Bereich der Strömungsmaschinen in den Kurzlehrgang ein. Sie stehen für Diskussionen mit den Teilnehmern zur Verfügung. Left: Numerical grid of the complete flow domain; every third grid point and mesh line are plotted for clarity, Prof. Dr.-Ing. Thomas Carolus, Univ. Siegen. Right: Iso-surface of vorticity in flow direction; the color on the surfaces represent the surface pressure distribution, Prof. Dr.-Ing. Thomas Carolus, Univ. Siegen. Multipoint optimization of a Turbocharger. Left: Original; Right: Optimized. Dr.-Ing. Thomas Hildebrandt, NUMECA. Links: Prandtlrohr; Mitte: Gasturbine GT 027-1; Rechts: Umhausung Temperaturfühler Dipl.-Ing. (FH) Uwe Borchert Fachhochschule Stralsund

19 Links: Zentrifugalpumpe mit Spiralgehäuse Rechts: Laufrad einer Diagonalpumpe Dr.-Ing, G. Kreuzfeld, CFTurbo Links: Auslegungsrechnung Axialkaskade; Rechts: Auslegungsrechnung Radialrad Dipl.-Ing. H.Smith, Dipl.-Ing. T.Hetzer, Dr.-Ing. Ph. Epple, LSTM Links: Druckverteilung in einem axialen Gitter einer Dampfturbine Rechts: Geschwindigkeitsverteilung in einer Labyrinthdichtung Prof. Dr. R. Willinger, TU Wien Grosser doppelflutiger Radialventilator auf Lastwagen Prof. Dr.-Ing. Thomas Carolus, Univ. Siegen

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