Entwicklung und numerische Verifizierung von Methoden zur optimalen Gestaltung von Radialturbinen

Die vorliegende Dissertation soll ein möglichst umfassendes und vollständiges Verständnis der Wirkungsweise von Radialturbinen kleiner Bauart liefern. Dabei soll speziell die Vorauslegung mit dem Ziel optimiert werden, schon in diesem ersten Entwicklungsschritt eine realitätsnahe Konfiguration zu erreichen. Hierdurch soll der iterative Prozess des inversen Turbinendesigns abgekürzt werden. Zusätzlich soll durch das Verständnis der physikalischen Auswirkungen von aerodynamischen Verlusten der Wirkungsgrad und die abgegebene Leistung der zu entwickelnden Turbinen erhöht werden. Erreicht wird dies durch numerische Parameterstudien in einem definierten Betriebsbereich. Hierdurch können die Auswirkungen einzelner geometrischer oder aerodynamischer Parameter auf das Verhalten der Turbine untersucht werden. Mit den gewonnenen Erkenntnissen können empirische Modelle auf ihre Anwendbarkeit für kleine Radialturbinen validiert werden. Soweit keine geeigneten Modelle in der Literatur gefunden wurden, sind eigene Modelle entwickeln worden. Die Arbeit unterteilt sich dabei thematisch in vier unterschiedliche Abschnitte: Im ersten Teil werden der Stand der Technik sowie die Ergebnisse einer Literaturrecherche über vorhandene Auslegungsmethodiken und Verlustmodelle von Radialturbinen dargestellt. Der zweite Teil befasst sich mit der numerischen Untersuchung einer Radialturbine unter stationären Betriebszuständen, wobei in diesem Abschnitt nur das Laufrad ohne den Stator untersucht wird. Zum Einen können durch die separate Betrachtung des Laufrades die Einflüsse von Geometrievariationen bei unterschiedlichen Anströmbedingungen auf dessen Verhalten differenziert analysiert werden, zum Anderen ermöglicht die geringere Komplexität des Simulationsmodells die Untersuchung einer Vielzahl von unterschiedlichen Parametern. Im dritten Abschnitt liegt das Hauptaugenmerk auf der Untersuchung des Leitapparats der Turbinenstufe bei ebenfalls stationären Betriebszuständen. Dies geschieht sowohl einzeln als auch in Kombination mit dem im zweiten Teil betrachteten Laufrad. Dadurch kann die Zusammenführung der gewonnenen Ergebnisse erreicht werden. Trotz der stationären Randbedingungen kommen in diesem Abschnitt sowohl stationäre als auch instationäre Berechnungsmethoden zum Einsatz. Letztere sind durch instationäre Vorgänge innerhalb der Turbinenstufe notwendig. Im letzten Teil werden schließlich Betriebszustände untersucht, bei denen die Randbedingungen nicht mehr stationär, sondern zeitlich variabel sind. Hierbei wird auf ein übliches Einsatzgebiet von Radialturbinen dieser Baugröße eingegangen: den Turbolader. Aufgrund der diskontinuierlichen Arbeitsweise des Ottomotors und der aerodynamischen Kopplung mit der Turbomaschine entstehen bei dieser Anwendung hochfrequente Änderungen der Eintrittsbedingungen der Turbine. Diese können, im Vergleich zu äquivalenten, aber zeitlich gemittelten Randbedingungen, große Auswirkungen auf das Verhalten der Turbine haben und sogar zu einer Leistungssteigerung führen.