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
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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
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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
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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
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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
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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
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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)
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5. FEM-Simulation zum Festigkeitsnachweis
Laufrad
Spannmutter Spannsatz
Welle
Spannsatz nicht betrachtet Vereinfachung im FEM-Modell
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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