Auslegung und FEM Festigkeitsnachweis für ein Spiralgehäuse einer Radialmaschine

Abstract

Diese Diplomarbeit behandelt die Auslegung, parametrisierte Konstruktion und den FEM Festigkeitsnachweis für das Spiralgehäuse einer reversiblen Pumpturbine. Hierfür werden zwei unterschiedliche Dimensionierungsansätze vorgestellt und diskutiert. Die Tatsache, dass es sich um ein Pumpturbinen-Spiralgehäuse handelt, erfordert die Bestimmung der Strömungsgrößen für den Pump- und Turbinenbetrieb. In der Auslegungsrechnung sind drei Gehäusevarianten gegenübergestellt und es wird auf eine Variante, ausgelegt nach konstantem Drall, genauer eingegangen.<br />Im Anschluss erfolgt die Beschreibung der 3D-Konstruktion des Spiralgehäuses samt Leitvorrichtung und Stützbeschaufelung. Der Schwerpunkt liegt dabei in einer parametrisierten Konstruktion, da zukünftige Änderungen der geometrischen Größen ohne viel Aufwand möglich sein sollen. Diese Flexibilität der Konstruktion wird über die Einbindung einer Excel-Datei erreicht, in welcher die Abmessungen und Profilierungen des Spiralgehäuses eingestellt werden können. Die Grundlage für die Leitschaufelprofilierung bildet das NACA-Tragflügelprofil. Es können jedoch auch beliebige Linienzüge in die Konstruktion übernommen werden. Diese Möglichkeiten schaffen die Grundlage für eine Optimierung der Geometrie in Verbindung mit einer CFD-Simulation.<br />Die Beanspruchung des Gehäuses wird mit Hilfe einer Finite-Elemente-Analyse auf Zulässigkeit überprüft. Hierfür werden drei Stützschaufelausführungen und zwei Betriebszustände verglichen. Aus dem Vergleich ergeben sich Vorschläge zur Konstruktionsverbesserung.<br />

This thesis is about the construction of the spiral casing for a reversible pumpturbine. Two different approaches for designing a spiral casing are introduced and discussed. Because the spiral casing is used in a reversible pumpturbine it is necessary to fit the velocities and velocityangles of the fluid stream for turbine and pump mode. In the main calculation three design possibilities are compared and one design is explained in detail.<br />With the calculation results a volute casing together with guide vanes and stay vanes is designed in SolidWorks 2011 with special focus on a parameterized construction mode. This parametrization is made by embedding an Excel-file, which contains dimensions and profiles for the consturction. The guide vane design is made by the shape of the NACA airfoil. It is also possible to use other shapes.<br />The loadings in the spiral casing are investigated by a Finite-Element-analysis. Three types of stay vanes and two operating conditions are compared and some construction improvements are presented.