Computer-Aided Engineering (CAE) und Pilotanlagen

Wo liegen Forschungsschwerpunkte im Bereich CAE? Und wie profitieren Industrieunternehmen von den Ergebnissen?

Im Fokus der Forschung stehen CAE-Verbindungslösungen verschiedener Softwareprodukte. Dazu gehört sowohl die Inkooperation von Inhouse-Tools (wie z.B. eigene Auslegungstools in Excel (inkl. VBA, VBS), MatLab, python oder auch ältere Codes o.ä.) als auch kommerzielle Softwarelösungen (CFD-Löser, FEM-solver, Containmentanalysen…) in Gesamtanlagenoptimierungen. Dabei kommen z.B. Kopplungsfunktionen zu Lastgängen oder ganze Integrationslösungen in eine Simulation des gesamten Anlagenverfahrens zum Einsatz.

In der Praxis zeigt sich: Gerade die Schnittstelle zwischen der Anlagenverfahrenstechnik und der zu optimierenden Anlagenkomponente spielt eine immer größere Rolle. Die vom Fraunhofer UMSICHT entwickelten Verbindungslösungen ermöglichen es Industrieunternehmen, ihren Ressourceneinsatz zu reduzieren. Ausgehend von den Vorstellungen und Wünschen des Kunden bauen wir eine direkte Auslegungs- oder gar Angebotsstruktur für neu zu entwickelnde Anlagenkomponenten oder Retrofits. Und zwar mit der Zielsetzung, das für die Stückzahl eins zu ermöglichen.
Sind Pilotanlagen bei steigender Genauigkeit der CAE-Tools überflüssig?

Trotz steigender Genauigkeit: Aus einer Pilotanlage können weitreichendere Erkenntnisse gewonnen werden als nur auf Basis von Simulationen. Gleichzeitig beschleunigen die steigende Genauigkeit und der Einsatz von maschinellem Lernen sowohl den Prozess der anwendungsbezogenen Vorhersage als auch die Vorhersagegenauigkeit der Simulationsmodelle.

Ziel unserer Forschung ist die Erarbeitung valider Erkenntnisse sowie deren Transfer in die Industrie. Dazu bauen wir auf der einen Seite Simulationsmodelle einer Testkomponente und auf der anderen Seite die dazu gehörige reale Testanlage. Unternehmen schätzen diesen Weg, denn durch unsere langjährige Erfahrung im Bau von Forschungsanlagen können wir eine schnelle und sichere Inbetriebnahme der Anlage und damit sowohl schnelle als auch qualitativ hochwertige (Mess‑)Ergebnisse garantieren.
Was ist die Vision der Gruppe CAE und Pilotanlagen?

Der Fertigungsprozess einer Anlagenkomponente wird mittlerweile simulativ in die Auslegungsplanung miteinbezogen. Dies betrifft Fertigungskosten, mögliche Retrofitarbeiten und Stillstandszeiten während einer Komponenteninstallation etc. So sind die Optimierungsziele heute nicht mehr allein die Effizienz der Anlagenkomponente im Betrieb, sondern letztlich die betriebsabhängige und somit individuelle Investmententscheidung eines Kunden – also eine wirkliche Kostenreduktion zur Verwendung in Amortisationsrechnungen. Dies inkludiert natürlich auch die Effizienz und somit den Beitrag zu einer grüneren Zukunft. Damit der europäische Green Deal in unserer Wirtschaft umgesetzt und die dabei erarbeiteten Konzepte in Zukunft auf andere Märkte und Länder übertragen werden können, sind diese Amortisationszeiten und die Qualität der Arbeitsergebnisse natürlich von entscheidender Bedeutung.

Turbomaschinenentwicklung

Die Entwicklung von Turbomaschinen hat am Fraunhofer UMSICHT Tradition. Nach ersten Projekten mit Mikrogasturbinen seit 1999 startete 2005 eine intensive Entwicklungsbegleitung neuer ORC-Turbinen: Der Entwicklungs- und Optimierungszeitraum erstreckte sich bis 2015- Während dieser Zeit wurden 15 ORC-Pilotanlagen errichtet und erfolgreich, u.a. in einem großangelegten Feldversuch betrieben. Im Zuge der Weiterentwicklung dieser Turbomaschinen wurden weitere Kompetenzen im Bereich der Strömungssimulation und detaillierten Maschinenauslegung aufgebaut. Eines der Resultate: Die erfolgreiche Ausgründung des Spin-off Turbonik mit einem Fokus auf schnelldrehenden Mikro-Dampfturbinen. Eine weitere Folge: Die Strömungssimulation konnte sich am Fraunhofer UMSICHT als Hauptauslegungs- und -optimierungswerkzeug für Turbomaschinen etablieren. So wurden beispielsweise mit einem in der Gruppe »CAE und Pilotanlagen« entwickelten Optimierungsworkflow computergestützt-optimierte Schaufeln in realen Turbomaschinenanlagen verbaut und ihr Benefit validiert.

Heute ist die Gruppe »CAE und Pilotanlagen« auf den Nischenbereich der kleinen, schnelldrehenden Turbomaschinen spezialisiert: Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler entwickeln sowohl Turbinen- als auch Verdichterlösungen für verschiedene Anwendungen. Das kann zum Beispiel im Rahmen eines Forschungsprojekts beginnen und bis in Aufbau und Erprobung in einer Pilotanlage münden. Alternativ ist aber auch die Entwicklung und/oder Optimierung von Turbomaschinen in einer direkten Beauftragung möglich. Darüber hinaus stehen verschiedene Teststände für Stufenuntersuchungen zur Verfügung: ein Dampfkesselteststand zur Untersuchung von kleinen Dampfturbinen, ein Verdichterprüfstand für kleine schnelldrehende Radialverdichter sowie ein Turbinenteststand für kleine schnelldrehende luftdurchströmte Stufen.

Referenzen

Strömungssimulation und Optimierung

Turbomaschinen optimieren und für die Stückzahl eins mit möglichst wenig zusätzlichem Input durch Spezialisten auszulegen oder einen schnellen Retrofit einer bestehenden Stufe zu gewährleisten – so lautet die Zielsetzung der Gruppe »CAE und Pilotanlagen« im Bereich Strömungssimulation und Optimierung. Dabei spielen sowohl die Weiterentwicklung des Optimierungsworkflows als auch die FEM eine entscheidende Rolle. Schließlich beinhalten Optimierungslösungen integral auch stets den Aspekt der Festigkeit.

Die Erfahrungen und Erkenntnisse aus der Simulation komplexer Strömungen in Turbomaschinen werden auch für die Entwicklung und Optimierung anderer durchströmter Komponenten eingesetzt. So werden beispielsweise Düsen in Brennern simuliert und dabei die Mischwirkung zwischen Gas und Luft optimiert.

Referenzen

Untersuchung von Dampfturboladern zur Effizienzsteigerung (Dissertation) (publica-rest.fraunhofer.de)
Analysis of slip factors in CFD calculations – Assessment of literature models (Paper, PDF-Datei)

Anlagenplanung und Umsetzung

Im Rahmen der Pilotanlagen-orientierten Bearbeitung der Themenfelder strebt die Gruppe »CAE und Pilotanlagen« valide Lösungen an. Der Aufbau und erfolgreiche Probebetrieb einer Pilotanlage bestätigt die Machbarkeit einer Forschungsaufgabe unmissverständlich und bietet unseren Projektpartnern eine direkte Verwertungsplattform in vielerlei Hinsicht. Die Reife einer Technologie steht nach Abschluss von Entwicklungsprojekten i.d.R. erst bei TRL4 (»Technology validated in lab«). Wir realisieren dagegen auch Prototyp- und Pilotanlagen bis in das industriell relevante Umfeld und können Ihnen so Entwicklungen aus einer Hand bis TRL7 (»System Prototype demonstration in operational environment«) anbieten.

Referenzen

Druckluftspeicher für den ortsunabhängigen Einsatz (Projektsteckbrief)
Untersuchung von Dampfturboladern zur Effizienzsteigerung (Dissertation) (publica-rest.fraunhofer.de)

Aktuelles aus dem Institut

Mit dem UMSICHT-Newsletter bleiben Sie auf dem Laufenden.

Newsletter abonnieren

Ob Facebook, LinkedIn oder Youtube – über unsere Social-Media-Kanäle bleiben Sie auf dem Laufenden.