Strömungsuntersuchung in hydrodynamischen Wandlern: Zusammenspiel von Messung und Rechnung

Zusammenfassung

Zur Optimierung der Auslegung von Turbomaschinen ist die exakte Kenntnis des in der Maschine vorliegenden Strömungsfeldes eine wesentliche Voraussetzung. Die sinnvolle Ergänzung von experimentellen Arbeiten durch numerische Untersuchungen kann das hierfür erforderliche Verständnis für die Strömungsverhältnisse liefern. Moderne Meßtechniken ermöglichen die Erfassung instationärer Strömungsvorgänge und liefern damit nicht nur einen detaillierten Einblick in die untersuchten Meßebenen, sondern erlauben zusätzlich die Kontrolle komplizierter Berechnungsverfahren. Die mit der Weiterentwicklung der Computer und der Berechnungsverfahren kontinuierlich wachsenden Möglichkeiten der numerischen Strömungssimulation erlauben nicht nur die Kontrolle von Meßergebnissen, sondern gewähren zusätzlich einen Einblick in Strömungsvorgänge die meßtechnisch unzugänglich sind.

Im Rahmen dieser Veröffentlichung wird die erfolgreiche Zusammenarbeit meßtechnischer und numerischer Untersuchungen einer Turbomaschine am Beispiel der Strömungsuntersuchung in einem hydrodynamischen Wandler dokumentiert.

Zwischen den beiden Laufrädern des Wandlers wurden die zeitlich veränderlichen Druckverläufe gemessen. Kern des hierzu eingesetzten Meßsystems bildet eine als Ersatz für die empfindlichen Heißfilmsonden entwickelte miniaturisierte, schnell ansprechende Drucksonde. Parallel dazu wurde ein Finite-Volumen-Verfahren entwickelt, mit dem die inkompressible, dreidimensionale, instationäre Strömung in relativ zueinander bewegten Komponenten einer Turbomaschine berechnet werden kann. Mit diesem Verfahren ist die Strömung im Bereich der Pumpe und der Turbine simuliert worden.

Der Vergleich der berechneten Drehmomente mit den Werten einer gemessenen Kennlinie sowie die Gegenüberstellung der berechneten Meridian-und Umfangsgeschwindigkeiten mit den entsprechenden gemessenen Werten zeigen gute Übereinstimmungen. Rechnung und Messung in der Ebene zwischen Pumpe und Turbine beweisen, daß die experimentelle Analyse der Pumpenströmung durch die Computerberechnung ersetzt werden darf.

Abstract

It is crucial to exactly know the flow field of the relevant machine if one wants to optimize the rating of turbo machinery. A reasonable supplement to experimental work by numerical examinations could be achieved based on the required understanding of flow. Modern measurement techniques permit the recording of unsteady flows and thus not only offer a detailed insight into the examined measurement planes, but also allow the review of complicated calculation procedures. The possibilities of numerical flow simulation which are increasing thanks to the further development of computers and calculation procedures permit not only the verification of experimental results, but also convey an insight into flow processes that are not accessible for measurement.

Within the scope of this publication, the successful cooperation of measurement-related and numerical examinations of a turbo machine is documented by reference to a flow examination in a hydrodynamic torque converter.

Pressure curves varying as a function of time were measured between the two impellers of the converter. A minitiaturized rapidly responsive pressure-sensitive probe developed to replace sensitive hot film probes forms the basis of the utilized measuring system. Parallel to this, a finite volume procedure has been developed which permits the calculation of incompressible, three-dimensional and unsteady flow in components that are moving relative to each other within a turbo machine. With the help of this procedure, the flow within the area of the pump and the turbine was simulated.

Comparison of calculated torques with the values of a measured characteristic line as well as the juxtaposition of the calculated meridian and tip speeds to the measured values match each other well. Calculation and measurement in the level between pump and turbine prove, that the experimental analysis can be replaced by numerical examinations.