Turbomaschinen – von Kreiselpumpen und Kompressoren bis hin zu Turbinen und Lüftern – sind das Rückgrat moderner Industrie- und Energieanlagen. Ihre Auslegung und Optimierung erfordert tiefes strömungsmechanisches Verständnis und präzise numerische Werkzeuge. Wir verbinden beides: fundierte Ingenieursexpertise mit modernster CFD-Technologie auf Basis vollständig freier Software.

Leistungsanalyse und Konstruktion von Turbomaschinen mit CFD

Wir führen grundlegende Leistungsanalysen und Konstruktionen von Turbomaschinen mit modernsten CFD-Methoden (Computational Fluid Dynamics) durch. Der gesamte Analyse-Workflow ist im InsightCAE-Framework vollständig automatisiert und verwendet ausschließlich Open-Source-Software. Dies ermöglicht sehr kostengünstige Simulationen, kurze Durchlaufzeiten und eine einfache Integration in automatische Optimierungs-Frameworks.

Was sind Turbomaschinen – und warum ist CFD so entscheidend?

Turbomaschinen sind rotierende Strömungsmaschinen, die Energie zwischen einem Fluid und einem Rotor übertragen. Sie lassen sich grob in zwei Kategorien einteilen:

• Arbeitsmaschinen (z. B. Pumpen, Verdichter, Gebläse): übertragen mechanische Energie auf das Fluid
• Kraftmaschinen (z. B. Turbinen, Wasserturbinen): entziehen dem Fluid Energie und wandeln sie in Rotationsarbeit um

Die internen Strömungsvorgänge – Sekundärströmungen, Ablösungen, Stoß-Grenzschicht-Interaktionen, Spaltströmungen – sind komplex und im Detail analytisch kaum vollständig erfassbar. Numerische Strömungssimulation (CFD) ist daher heute das Standardwerkzeug für Auslegung, Analyse und Optimierung dieser Maschinen.

Unser CFD-Workflow für Turbomaschinen im Detail

Unser Analyse-Prozess deckt den kompletten Ablauf einer Turbomaschinen-Simulation ab – von der Geometrieaufbereitung bis zur Ergebnisauswertung:

• Geometrieerstellung und Parametrisierung: Definition der Schaufel- und Gehäusegeometrie, wahlweise auf Basis vorhandener CAD-Daten oder durch parametrische Neukonstruktion
• Vernetzung (Meshing): Automatisierte Erzeugung strukturierter oder unstrukturierter Rechengitter mit optimierter Wandauflösung (y⁺-Kontrolle) für genaue Grenzschichtmodellierung
• Stationäre und instationäre Simulation: Berechnung von Betriebspunkten mittels RANS-Turbulenzmodellen; instationäre Rotor-Stator-Interaktionen bei Bedarf
• Leistungskennlinien: Ermittlung von Freifahrtkurven, Druck-Volumenstrom-Kennlinien, Wirkungsgraden, Kavitationsgrenzen und weiteren maschinenspezifischen Kennwerten
• Ergebnisauswertung und Visualisierung: Automatisierte Post-Processing-Pipelines liefern reproduzierbare, vergleichbare Reports

InsightCAE: Vollautomatisierter CFD-Workflow auf Open-Source-Basis

Das InsightCAE-Framework ist ein leistungsfähiges Open-Source-Automatisierungsframework für CFD- und FEM-Analysen. Es orchestriert bewährte Open-Source-Solver und Werkzeuge zu einem nahtlosen, reproduzierbaren Arbeitsablauf:

• OpenFOAM als primärer CFD-Solver – industriell erprobt, mit umfangreicher Turbulenzmodell-Bibliothek
• gmsh / snappyHexMesh für automatisiertes, qualitätskontrolliertes Vernetzen
• VTK und ParaView für skalierbare, skriptgesteuerte Visualisierung und Auswertung
• Vollständige Parametrisierung aller Workflow-Schritte – ideal für Variantenrechnungen und Sensitivitätsstudien

Durch die Automatisierung entfällt manueller Einrichtungsaufwand für jeden einzelnen Simulationslauf. Das reduziert nicht nur Fehlerquellen, sondern verkürzt die Zeit von der Problemstellung bis zum validierten Ergebnis erheblich.

Nahtlose Integration in Optimierungs-Frameworks

Ein besonderer Vorteil des automatisierten Workflows ist die einfache Kopplung mit numerischen Optimierungsverfahren. Typische Einsatzszenarien sind:

• Gradient-basierte Optimierung zur gezielten Verbesserung von Wirkungsgrad oder Druckaufbau
• Evolutionäre Algorithmen und Surrogate-Modelle (z. B. Gaussian Process Regression) für die Exploration großer Parameterräume
• Multi-Ziel-Optimierung (z. B. gleichzeitige Maximierung von Wirkungsgrad und Betriebsbereich)
• Design of Experiments (DoE) zur systematischen Untersuchung geometrischer oder betrieblicher Einflussgrößen

Da jeder Simulationslauf vollständig skriptgesteuert und parametergesteuert abläuft, lassen sich Hunderte von Varianten ohne manuellen Eingriff berechnen und auswerten.

Vorteile unseres Ansatzes auf einen Blick

• Kostengünstig: Keine Lizenzkosten für kommerzielle CFD-Software
• Schnell: Automatisierter Workflow minimiert manuelle Eingriffe und Durchlaufzeiten
• Reproduzierbar: Vollständig dokumentierte, versionierbare Simulation-Setups
• Skalierbar: Von der Einzelsimulation bis zur automatisierten Optimierungskampagne
• Transparent: Quelloffene Software bedeutet volle Nachvollziehbarkeit aller Berechnungsschritte

Typische Anwendungsfelder

Unsere CFD-Analysen für Turbomaschinen kommen in einer Vielzahl von Industrie- und Forschungsprojekten zum Einsatz:

• Kreiselpumpen und Pumpenturbinen (auch für Wasserkraft und Pumpspeicher)
• Axial- und Radialverdichter für Prozess- und Energietechnik
• Schiffspropeller und Düsenpropeller (in Kombination mit unserer Widerstandsanalyse)
• Lüfter und Ventilatoren für Klima- und Lüftungstechnik
• Dampf- und Gasturbinen in Kraftwerksanwendungen

Fazit: Moderne Turbomaschinen-CFD – effizient, offen, optimierbar

Mit unserem vollautomatisierten CFD-Workflow auf Basis von InsightCAE und Open-Source-Software bieten wir Ingenieurbüros, Herstellern und Forschungseinrichtungen einen leistungsfähigen, kostentransparenten Zugang zu professioneller Turbomaschinen-Simulation. Von der ersten Kennlinienberechnung bis zur automatisierten Formoptimierung – alles aus einer Hand, reproduzierbar und skalierbar.

Sie planen eine CFD-Analyse für Ihre Turbomaschine? Sprechen Sie uns an – wir finden gemeinsam die passende Simulationsstrategie für Ihr Projekt.