Aerothermal Analysis of a Radial Turbine in Transient Operation

Die genaue Vorhersage der Lebensdauer ist eine der größten Herausforderungen in der Auslegung von Turbomaschinen. Aufgrund der stark ansteigenden Abgastemperaturen im Automobilbereich nehmen die thermischen Belastungen von Turboladern in den letzten Jahren einen immer größeren Stellenwert ein. Um die thermischen Spannungen bei der Auslegung berücksichtigen zu können, müssen die Mechanismen verstanden werden, die diese Spannungen im Betrieb hervorrufen. Im Rahmen dieser Arbeit wird gezeigt, dass die thermischen Spannungen im transienten Betrieb hauptsächlich von lokalen dreidimensionalen Strömungsphänomenen bzw. Sekundärströmungen abhängen. Im Turbinengehäuse sind diese Spannungen der limitierende Faktor für die Lebensdauer. Im Turbinenrad sind die thermischen Spannungen zwar weniger dominant, können sich aber mit den mechanischen Spannungen überlagern und die Lebensdauer signifikant verringern.
Um die thermischen Spannungen in einem Auslegungsprozess in der Industrie berücksichtigen zu können, wurden in dieser Arbeit wurden zwei Methoden zur Berechnung der transienten Materialtemperaturen entwickelt. Die erste Methode basiert auf einem Standardansatz in welchem Wärmeübergangskoeffizienten aus stationären CFD Berechnungen abgeleitet und über der Zeit interpoliert werden. Der Interpolationsprozess dieser Methode ist in dieser Arbeit modifiziert worden, um eine höhere Genauigkeit bei gleichbleibender Rechenzeit zu erhalten.
In der zweiten Methode ist ein neuer Berechnungsansatz entwickelt worden. In diesem Ansatz wird die spezifische Wärmekapazität des Festkörpers reduziert, so dass sich ein verkürzter transienter Wärmeübergangsprozess ergibt. Ein solch kurzer Prozess kann mit deutlich weniger Rechenzeit simuliert werden.