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Auslegung, Entwurf, Nachrechnung und Optimierung einer Hochdruck-Turboverdichterstufe

Alexander Fischer, Marius Korfanty, Ralph-Peter Müller

CFturbo® Software & Engineering GmbH, München

Johannes Strobel

ASA Kompressor GmbH, Aresing

2

1. Einleitung – Entwicklungsprozess Turbomaschinen

Auslegung, Entwurf CFturbo®

Netzgenerierung ANSA, ANSYS ICEM CFD, Pointwise, TurboGrid…

CAD CATIA, SolidWorks, UG NX,

ProE, BladeModeler, …

Produktion

CFD/FEM-Simulation ANSYS-CFX, ANSYS-Mechanical,

PumpLinx, STAR CCM+, FineTurbo, …

Experiment Rapid Prototyping,

Validierung

Nachrechnung/Optimierung: interaktiv oder automatisch

Auslegung, Entwurf CFturbo®

Netzgenerierung ANSA, ANSYS ICEM CFD, Pointwise, TurboGrid…

CAD CATIA, SolidWorks, UG NX,

ProE, BladeModeler, …

Produktion

CFD/FEM-Simulation ANSYS-CFX, ANSYS-Mechanical,

PumpLinx, STAR CCM+, FineTurbo, …

Experiment Rapid Prototyping,

Validierung

CFturbo ®

ASA ®

Nachrechnung/Optimierung: interaktiv oder automatisch

3

1. Einleitung – Aufgabe

Auslegung einer Hochdruckverdichterstufe, bestehend aus Laufrad, unbeschaufeltem Radialdiffusor und Spiralgehäuse im Kundenauftrag der Firma ASA® Kompressor GmbH.

Auslegungsdaten

Totaldruckverhältnis: ∏tt = 4

Massenstrom: ṁ = 0.11 kg/s

Drehzahl: n = 90.000 min-1

Motorleistung: Pm = 30.0 kW

Verfügbare Leistung: Pi = 25.5 kW

Berücksichtigung geometrischen Rand-

bedingungen des Gehäuses, der Anschlussmaße,

sowie fertigungsrelevanter Parameter.

4

2. Entwurfsprozess – Stufenentwurf mit CFturbo®

b2

DS

D2

5

Anzahl Schaufeln 8x8

Saugmund ⌀ DS [mm] 56

Naben ⌀ DN [mm] 20

Außen ⌀ D2 [mm] 104

Eintrittswinkel b1 [°] 34.5

Austrittswinkel b2 [°] 55

Austrittsbreite b2 [mm] 3.2

Ax. Erstreckung lax [mm] 25

Fussverrundung [mm] 1.5

Umschlingung ε [°] 57

Parameter:

lax

DN

D2

DS

b2

2. Entwurfsprozess – Laufrad

6

Anzahl Schaufeln -

Innen ⌀ DI [mm] 104

Außen ⌀ DA [mm] 128

Austrittsbreite b2 [mm] 3.4*

Spaltabstand s [mm] 0.3

DI

DA

b2

* Zuschlag von 0.2mm auf Grund von Fertigungstoleranzen

2. Entwurfsprozess – Radialdiffusor

Parameter:

7

Din Sp [mm] 128

Dout Diff [mm] 30

Wrap angleSp [°] 360

tSp [mm] 185.55

bSp [mm] 155,5

LDiff [mm] 110

Cone Angle [°] 4.1°

Form Spiralgehäuse Kreis sym.

Methode Pfleiderer D

in S

P

Dout Diff

L Dif

f

bSp

t Sp

2. Entwurfsprozess – Spiralgehäuse

Parameter:

8

3. CFD-Simulation

Ziele und Vorgehen:

• Zuverlässige Berechnung der Kennlinien Totaldruckverhältnis, Wirkungsgrad, Leistungsaufnahme

• Analyse der 3D-Strömungsverhältnisse • Bewertung unterschiedlicher Varianten

• Gezielte Variation geometrischer Parameter

Stationäre Simulation, Kontrollrechnung transient Frozen-Rotor-Modell SST-Turbulenzmodel

Massenstrom

Eintrittsdruck

9

Meshing Parameter Dialog

Vernetzung mit ICEM CFD

Tetra Mesh mit Prism Layers

- Vergabe der Vernetzungsparameter in CFturbo

- Automatisierte, skript-basierte Vernetzung Auslegung, Entwurf und Vernetzung einer kompletten Verdichterstufe t < 1 Stunde

Direkter Import aus CFturbo®

3. CFD-Simulation

3,00

3,50

4,00

4,50

5,00

5,50

6,00

6,50

7,00

7,50

8,00

0,08 0,09 0,1 0,11 0,12 0,13 0,14

∏tt -

Stu

fe [

-]

Massenstrom [kg/s]

Stage08_Stufe_90kumin Stage09_Stufe_90kumin

Stage08_Stufe_100kumin Stage17_Stufe_90kumin

10

3. CFD-Simulation Verdichterkennlinie, Verhältnis Totaldruck-Totaldruck

Zielvorgabe

0,50

0,55

0,60

0,65

0,70

0,75

0,80

0,85

0,90

0,08 0,09 0,1 0,11 0,12 0,13 0,14

Wir

kun

gsgr

ad [

-]

Massenstrom [kg/s]

Stage08_Laufrad_90kumin

Stage17_Laufrad_90kumin

Stage08_Stufe_90kumin

Stage08_Stufe_100kumin

Stage09_Stufe_90kumin

Stage17_Stufe_90kumin

11

3. CFD-Simulation Verdichterkennlinie, Wirkungsgrad

Stage17 bester Wirkungsgrad im Auslegungspunkt

20.000,00

21.000,00

22.000,00

23.000,00

24.000,00

25.000,00

26.000,00

27.000,00

28.000,00

29.000,00

30.000,00

31.000,00

32.000,00

33.000,00

34.000,00

35.000,00

36.000,00

37.000,00

0,08 0,09 0,1 0,11 0,12 0,13 0,14

Inn

ere

Le

istu

ng

[W]

Massenstrom [kg/s]

Stage08_Laufrad_90kumin Stage09_Laufrad_90kumin

Stage08_Laufrad_95kumin Stage09_Laufrad_95kumin

Stage08_Laufrad_100kumin Stage17_Laufrad_90kumin

Max. Motorleistung

12

3. CFD-Simulation – Verdichterkennlinie, innere Leistung

∏tt = 4,2

∏tt = 4,2

∏tt = 4,1

∏tt = 4,0

∏tt = 4,8

∏tt = 4,8

∏tt = 5,3

∏tt = 5,2 Stage08, 09, 17 erreichen die Auslegungsziele! ∏tt = 4.0 Pi < 25.5kW

13

3. CFD-Simulation – Geschwindigkeit im Gesamtmodell

n = 90.000 u/min Q = 0.11 kg/s

Stage17 Stage08

Starke Ablösungen im Druckstutzen Modifikation des Spiralgehäuses: Kleinerer Öffnungswinkel Druckstutzen

Verbesserung notwendig

14

3. CFD-Simulation – Statischer Druck im Gesamtmodell

n = 90.000 u/min Q = 0.11 kg/s

Stage17 Stage08

gleichmäßigerer Druckaufbau im Spiralgehäuse

15

3. CFD-Simulation – Statischer Druck, Blade-to-Blade View

Stage17 n = 90.000 u/min Q = 0.11 kg/s Span = 0.5

16

3. CFD-Simulation – Statischer Druck in Meridianebene

n = 90.000 u/min Q = 0.11 kg/s

Stage17 Stage08

17

3. CFD-Simulation – Geschwindigkeit in Meridianebene

n = 90.000 u/min Q = 0.11 kg/s

Stage17 Stage08

Ablösung aufgrund Fertigungstoleranz von 0.2mm

Stoßfreier Übergang Laufrad-Diffusor

18

4. Vergleich CFD-Versuch

2,00

2,25

2,50

2,75

3,00

3,25

3,50

3,75

4,00

4,25

4,50

0,08 0,09 0,1 0,11 0,12 0,13 0,14 0,15 0,16

∏ts

- S

tufe

[-]

korrigierter Massenstrom [kg/s]

CFD

Experiment

90000 U/min

97000 U/min

94000 U/min

92000 U/min

90000 U/min

T1 Ref. Temp.: 293K Ref. pressure: 1bar Versuch

19

4. Vergleich CFD-Versuch

0,40

0,45

0,50

0,55

0,60

0,65

0,70

0,75

0,80

0,85

0,90

0,95

1,00

0,08 0,09 0,1 0,11 0,12 0,13 0,14 0,15 0,16

ηSt

ufe

[-]

korrigierter Massenstrom [kg/s]

CFD

Experiment

90000 U/min

92000 U/min

90000 U/min

94000 U/min

97000 U/min

Versuch T1 Ref. Temp.: 293K Ref. pressure: 1bar

Abweichungen zwischen CFD und Versuch vermutlich durch Methodik der messtechnischen Wirkungsgradbestimmung (Temperaturdifferenzen)

20

5. FEM-Simulation zum Festigkeitsnachweis

Laufrad

Spannmutter Spannsatz

Welle

Spannsatz nicht betrachtet Vereinfachung im FEM-Modell

21

5. FEM-Simulation – Parametrischer Aufbau der Tragscheibengeometrie

bTr

Maße Kontur

Tragscheibenvariante

Var1 Var2

Bezeichnung Größe [mm] Größe [mm]

bTr 2.5 2.5

H2 12.0 12.0

H4 50.0 50.0

H5 52.0 52.0

H19 3.5 3.5

V6 5.0 5.0

V7 5.0 0.5

V9 2.05 2.05

V10 2.05 2.05

V20 5.0 5.0

R24 4.0 5.0

Gestaltung der Tragscheibengeometrie hinsichtlich kleiner Vergleichsspannungen und Verschiebungen. Der parametrischer Aufbau erlaubt prinzipiell einen automatisierten Simulationsprozess.

Var1

Var2

Belastung des Laufrads durch:

• Trägheitslasten

• Temperatur

• Druckkräfte

Bei Ermittlung der Tragscheibengeometrie ausschließliche Betrachtung der Trägheitslasten und Temperatur.

Einfluss der Druckkräfte vernachlässigbar.

F r

22

Fax

τθ

T=150°C

ω

5. FEM-Simulation – Randbedingungen / Simulationssetup

Druckkräfte aus CFD-Simulation

23

5. FEM-Simulation –Vergleichsspannungen (von Mises)

1

3

2

Hohe Spannungen im Bereich 1 nicht aussagekräftig, da Vereinfachungen im Simulationsmodell.

Var1 Var2

24

Ergebnisse – Var1

τθ

Verschiebungen in radialer Richtung Verschiebungen in axialer Richtung Gesamtverschiebung

5. FEM-Simulation – Ergebnisse, Verschiebungen

Verschiebung in axialer Richtung > 0.3mm Kontakt zwischen Laufrad – Gehäuse!

25

Ergebnisse – Var2

τθ

Verschiebungen in radialer Richtung Verschiebungen in axialer Richtung Gesamtverschiebung

5. FEM-Simulation – Ergebnisse, Verschiebungen

Verschiebungen kleiner 0.3mm!

26

τθ

6. Zusammenfassung

• Komfortables Entwurfsverfahren für komplette Radialverdichterstufen

• Auslegung, Entwurf, CFD&FEM-Simulation und „interaktive Optimierung“ innerhalb von ca. 4 Wochen → effektive, kostengünstige Projektbearbeitung mit begrenzten Ressourcen

• Ausblick – Optimierung über mathematische Verfahren, transiente Simulationen, Rapid Prototyping