Inverser Entwurf von Turbomaschinen mit Hilfe von Übertragungsfunktionen Teilprojekt im Rahmen des Schwerpunktprogramms "Carnot-Batterien: Inverser Entwurf vom Markt zum Molekül"

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Dieter Brillert
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik ; Strömungs- und Kolbenmaschinen
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 525711534

Die inverse Auslegung einer Carnot-Batterie erfordert ein kontinuierliches inverses Verfahren für alle Komponenten, einschließlich der Berücksichtigung der lokalen Marktbedingungen. Hierfür sind Transferfunktionen zwischen verschiedenen Ebenen der Auslegung (Markt, thermodynamischer Kreislauf, Komponenten) notwendig. Die Modellierung mit den Transferfunktionen ermöglicht es, einen inversen Ansatz zu verfolgen und als Ergebnis eine Pareto-Front mit den Marktparametern zu erhalten. Die Marktbedingungen sind die Randbedingungen für die Bestimmung der Pareto-Front. Der thermodynamische Kreislauf kann als Transferfunktion von diesen Marktanforderungen zu den Anforderungen der Komponenten verstanden werden. Die Übertragungsfunktion zwischen der spezifischen Strömungsarbeit und den geometrischen Größen ist zu formulieren, die hier als Übertragungsfunktion der Geometrie definiert wird. Der aus dem thermodynamischen Kreislauf und dem Fluid ermittelte Massenstrom geht im zweiten Schritt in die Übertragungsfunktion der Qualität ein. Diese Funktion beschreibt die Qualität in der Form, dass der Massenstrom und das Druckniveau den Wirkungsgrad und die "Menge" der Maschinen (evtl. mehrflutig) beeinflussen. Die in der Übertragungsfunktion der Geometrie definierte Energieumwandlung bestimmt die Anzahl der Stufen und die mechanischen Festigkeitsanforderungen und wirkt sich ebenfalls auf Qualität und Quantität aus. Betrachtet man den funktionalen Zusammenhang für eine "optimale" Maschine, so können die spezifische Strömungsarbeit und die Umfangs-Machzahl zur Bestimmung der anderen Variablen herangezogen werden. Dies ist jedoch auf den Auslegungspunkt beschränkt und gibt keine Auskunft über die Flexibilität der Maschine und damit auch keine Auskunft über das Teillastverhalten. Der funktionale Zusammenhang außerhalb des "Optimums" zwischen dem Volumenstrom und der spezifischen Strömungsarbeit ist hier nicht definiert. Die aus der Übertragungsfunktion des thermodynamischen Kreisprozesses definierte Flexibilität beschreibt die Grenzen für die Maschinenkonstruktion. Die geforderte Flexibilität beeinflusst die Geometrie- und Qualitätsübertragungsfunktionen und stellt eine Weiterentwicklung der genannten Übertragungsfunktion der Flexibilität dar. Mit dieser Übertragungsfunktion wird eine wesentliche Erweiterung des Wissens über inverse Auslegungsmethoden erreicht, bei denen die Anforderungen an die Teillast in die Turbomaschinenauslegung einbezogen werden. Eine kontinuierliche Beschreibung der Übertragungsfunktion und damit eine Abstraktion der Entwurfsmethodik ermöglicht einen inversen Systementwurf. Diese Abstraktion unterstützt die folgenden Ziele des Schwerpunktprogramms: a. Größenabhängigkeit, Teillastverhalten und Schwankungen; b. Flexible Fluidenergiemaschinen und ihr Verhalten in Abhängigkeit von Fluid, Lastbereich und Druckverhältnis.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2403: Carnot-Batterien: Inverser Entwurf vom Markt bis zum Molekül