Simultane Optimierung von Impeller, beschaufeltem Diffusor und Volute hinsichtlich des Wirkungsgrads und des Pumpgrenzabstands

Die vorliegende Arbeit präsentiert eine Methodik zur simultanen Optimierung von Impeller, beschaufeltem Diffusor und Volute hinsichtlich Stufenwirkungsgrad und Pumpgrenzabstand unter der Berücksichtigung strukturmechanischer Restriktionen. Der erstellte Optimierungsprozess basiert auf einer Parametrisierung der Verdichterstufe inklusive Impeller mit Radrücken, beschaufeltem Diffusor und Volute mit insgesamt 59 freien Parametern. Als strukturmechanische Restriktionen werden die erste Schaufeleigenfrequenz sowie die Mises-Vergleichsspannungen an verschiedenen Flächen des Impellers gesetzt. Die strömungsmechanischen Eigenschaften werden auf Basis stationärer CFD-Simulationen in drei Betriebspunkten bestimmt. Die Stopfgrenze und das Totaldruckverhältnis im Auslegungspunkt dienen als Restriktionen. Der isentrope Wirkungsgrad am Austritt der Volute und die Steigung der Kennlinie zwischen Auslegungspunkt und einem stärker angedrosselten Betriebspunkt sind als Zielfunktionen definiert, um Wirkungsgrad und Pumpgrenzabstand zu vergrößern. Zur Optimierung wird ein genetischer Algorithmus in Kombination mit Metamodellen verwendet.

Durch die Anwendung des Optimierungsprozesses auf eine Radialverdichterstufe wird eine Wirkungsgradsteigerung um 2,3 Prozentpunkte (Stufenwirkungsgrad = 87 %) und eine Vergrößerung des Pumpgrenzabstands um 14 Prozentpunkte (Pumpgrenzabstand = 29,5 %) erzielt. Die Ergebnisse werden sowohl experimentell validiert als auch mittels stationärer und instationärer CFD Simulationen detailliert ausgewertet. Abschließend wird auf die Frage eingegangen, ob die simultane Optimierung der Volute notwendig ist und welche Wirkungsgraddefinition als Zielfunktion verwendet werden sollte.