ZurAuslegung und CFD-Simulation von Strömungsmaschinen

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1 NUMET 010 ZurAuslegung und CFD-Simulation von Strömungsmaschinen Dipl.-Ing. Ralph-Peter Müller CFturbo Software & Engineering GmbH

2 Inhalt 1. Einführung 1.1 KlassifizierungStrömungsmaschinen 1. CAE-basierter Entwicklungsprozess. Auslegungsmethodikvon Strömungsmaschinen.1 Auslegungund Entwurf einer einstufigenkreiselpumpe, Online-Demo. Grundgleichungenzur Auslegungvon Strömungsmaschinen.3 Anwendung empirischererkenntnisse beim Laufradentwurf 3. CFD-Simulation 3.1 BeispielTurboverdichter Vernetzungs-und Simulationsmethodik 3. BeispielPumpe VergleichverschiedenerCFD-Solver 3.3 BeispielAxialventilator Rotor-Stator-Interfaces 3.4 Software 3.5 Literatur NUMET 010 Seite

3 1.1 Klassifizierung, Beispiele Kreiselpumpen Propeller Windturbinen Dampf-und Gasturbinen Ventilatoren Wasserturbinen Gebläse Turboverdichter Abgasturbolader NUMET 010 Seite 3

4 1.1 Klassifizierung von Strömungsmaschinen Laufradform * Q n q = n Y * Spezifische Drehzahl n q = n q = n q = Radialrad Halbaxialrad, Diagonalrad Axialrad Dichteänderung im Fluid Inkompressibel Kompressibel Hydraulische Strömungsmaschine Thermische Strömungsmaschine Energieübertragung Mechanische Energie Strömungsenergie Strömungsenergie Mechanische Energie Arbeitsmaschine (Pumpen, Verdichter, Ventilatoren) Kraftmaschine (Turbinen) NUMET 010 Seite 4

5 1. CAE-basierter Entwicklungsprozess Auslegung,Vorentwurf Auslegung,Vorentwurf Auslegung,Vorentwurf Geometriemodell Geometriemodell Geometriemodell Simulation CFD, FEA Simulation CFD, FEA Prototyp Voroptimierung Prototyp Optimierung Modellversuch Optimierung Modellversuch Optimierung Validierung Serienprodukt Serienprodukt Serienprodukt Ohne Simulation Simulation& Protyping Virtual Engineering NUMET 010 Seite 5

6 1. CAE-basierter Entwicklungsprozess ZIELE Schnelleund zuverlässige Vorausberechung der Kennlinien/Kennfelder, der Wirkungsgrade und des Leistungsbedarfder Turbomaschine Berechnungvon Kräften, Momenten und Temperaturen als Grundlageder Dimensionierungund Gestaltung von Bauteilen DetaillierteUntersuchungvon Verlustmechanismen(z.B. Radseitenreibung, Spaltverlustein Dichtungen, Stoßverluste, usw.) Kavitation, bei hydraulischenströmungsmaschinen Simulation transienterund akustischerphänomene NUMET 010 Seite 6

7 1. CAE-basierter Entwicklungsprozess ZIEL - Vorausberechnung Kennlinien/Kennfeldern Wirkungsgraden Leistungsbedarf Automatisierte CAE-Prozesse erlauben schnellenwechsel zwischenauslegung/ Entwurf und Simulationen, ohne Interaktion Voraussetzungen -ParametriesierbaresEntwurfsprogramm -VollautomatischenNetzgenerator -BatchfähigenCFD-Löser, inkl. Postproc. Auslegung,Vorentwurf Geometriemodell CFD-Simulation Optimierung Validierung Serienprodukt NUMET 010 Seite 7

8 .1 Auslegung und Entwurf einer einstufigen Kreiselpumpe Online Auslegungsdaten -Volumenstrom -Förderhöhe 100 m³/h 35 m ( p total = 3.5 bar) -Drehzahl 3500 min -1 -Fluiddichte 1000 kg/m³ NUMET 010 Seite 8

9 . Grundgleichungen zur Auslegung von Strömungsmaschinen..1 Masseerhaltung (Kontinuität) Allgemein: Inkompressibel: Laufrad: m & = ρ A c = const. Q = A c = const. Q = π 4 ( ds dn ) cms = πdb cm.. Impulserhaltung Allgemein : Inkompressibel : Laufrad: (Umfangsrichtung) m & c + F = 0 ( ρc A) + F + F + F + F = 0 p G Impuls Wandreibung Statischer Druck Wanddruck Gravitation F u W = m& c M = m& P = Mω = m& u ( c u) u τ ( c r) u EulerscheHauptgleichung der Turbomaschinen NUMET 010 Seite 9

10 . Grundgleichungen zur Auslegung von Strömungsmaschinen..3 Energieerhaltung Erster Hauptsatz der Thermodynamik: ( mh ) + P + P 0 & Enthalpiestrom t Th Me = mechanisch thermisch mit h p c = U + + ρ t + gz Innere Energie potentiell statisch dynamisch Ohne äußere Energieübertragung; U=const.: ( mh t ) = 0 & p t = p 1 + ρ 1 c 1 + ρ 1 gz 1 = p + ρ c + ρ gz ( + p ) V Totaldruck (Staudruck) Druckverluste Bernoulli-Gleichung für stationäre Strömung NUMET 010 Seite 10

11 Inkompressibel: ρ = const. T= const. m = const. & + ρ = = c c p p m h m P 1 1 t Me & & c c p p p gh h Y 1 1 t t + ρ = ρ = = = Annahmen: P th = 0, z const., + = = 1 1 c c h h m h m P t Me & & 1 1 c c h h h Y t + = =..3 Energieerhaltung. Grundgleichungen zur Auslegung von Strömungsmaschinen NUMET 010 Seite

12 . Grundgleichungen zur Auslegung von Strömungsmaschinen..4 Absolute und relative Strömung Absolutgeschwindigkeit Relativgeschwindigkeit Umfangsgeschwindigkeit w rcr r u r = ω Kinematische Grundgleichung der Turbomaschinen r c r = u r + w Eulergleichung P = Mω = m& Spezifische Arbeit ( c u) Y=P/m= c u *u c u1 *u 1 u NUMET 010 Seite 1

13 . Grundgleichungen zur Auslegung von Strömungsmaschinen..4 Absolute und relative Strömung Spezifische Arbeit Y= c u *u c u1 *u 1 Höhere Arbeitsübertragung im Laufrad z.b. durch: -Drehzahlsteigerung ( u) -Größerer Schaufelaustrittswinkel β s ( c u ) bei ansonsten vergleichbaren Bedingungen. Geschwindigkeitsdreiecke a : Winkel der Absolutströmung b : Winkel der Relativströmung NUMET 010 Seite 13

14 . Grundgleichungen zur Auslegung von Strömungsmaschinen..5 Leistung Förderleistung Kupplungsleistung P = m& Y = ρq gh = Q Q p t P = P ~ + P + P C S M P ~ = m ~ & Y ~ = Mechanische Verluste (Dichtungen, Lager) Radseitenreibung Schaufelleistung (inkl. Strömungsverluste und Leckage) m& Y η η η v h T PQ = η η η Interne Arbeit Interner Massestrom v h T Entwurfswirkungsgrad NUMET 010 Seite 14

15 . Grundgleichungen zur Auslegung von Strömungsmaschinen..6 Wirkungsgrad Gesamtwirkungsgrad η = η P P i ηm = Q = C Förderleistung Kupplungsleistung ( Nutzen) ( Aufwand) η i Innerer WG = η h η T η v η s PM Mechanischer WG ηm = 1 95% K 99.5% P Radseitenreibungs WG Volumetrischer WG Tip clearance WG η η s v C P = 1 P S C (kleine große Maschinen) 65% K 99% Q = 93% 99% Q ~ K P = 1 P 1 k Strömungs WG Y ηh = 60% 95% Y ~ K η T (Maschinengröße ) T C β x ( b + b ) 1 Tip (n q ) NUMET 010 Seite 15

16 .3 Anwendung empirischer Erkenntnisse beim Laufradentwurf Zur Gestaltung der Laufräder und Spiralgehäusewerden eine Reihe von verfügbarenempirischenzusammenhängengenutzt. Diese sind im Regelfall über der spezifischendrehzahl aufgetragen- dimensionslosoder dimensionsbehaftet- z.b. für -VerschiedeneWirkungsgrade -Druckzahl -Breitenzahl, Durchmesserzahl -Minderumlenkung, Minderleistung -Eintritts- und Austrittswinkelder Strömung -Umschlingungswinkelder Schaufeln -Schaufelanzahlen -Schaufeldickenverteilung Nutzung allgemein zugängigerund/oder proprietäter Erkenntnisseim Entwurfsprozess NUMET 010 Seite 16

17 .3 Anwendung empirischer Erkenntnisse beim Laufradentwurf Beispiel: Hydraulischer Wirkungsgrad für Pumpenlaufräder η h = f(n q,q) NUMET 010 Seite 17

18 3. CFD-Simulation, Beispiele 1. Turboverdichter. Pumpe 3. Axialventilator Anhandder Beipiele werden die Integration der Entwürfe in die CAE-Umgebung dargestellt, sowie verschiedeneaspekte zur Vernetzung, CFD-Simulation und Optimierungerläutert NUMET 010 Seite 18

19 3.1 CFD-Simulation, Beispiel 1 -Turboverdichter Auslegungspunkt -Massestrom m= 0.85 kg/s HauptabmessungenLaufrad -Saugmund-Durchmesser DS = 60 mm -Druckverhältnis Π tot =.5 -Laufrad-Durchmesser D =103 mm -Drehzahl n min -1 -Laufrad-Breite b = 5 mm -Luft, Ruhetemperatur T R =0 C NUMET 010 Seite 19

20 3.1 CFD-Simulation, Beispiel 1 -Turboverdichter Ableitung Berechnungsgebiet(Flow Domain) NUMET 010 Seite 0

21 3.1 CFD-Simulation, Beispiel 1-Turboverdichter Vergabe der Vernetzungsparameter Automatisierte Vernetzung Setup imauslegungsprogramm NUMET 010 Seite 1

22 3.1 CFD-Simulation, Beispiel 1-Turboverdichter Gittertyp Hexaeder oder Tetra/Prism? Tetra/Prism (automated) Hexa (manual) Design and meshing for whole compressor/turbine stage takes less than 1 hour Script-based impeller meshing (ICEM Hexa and TurboGrid) in development NUMET 010 Seite

23 3.1 CFD-Simulation, Beispiel 1-Turboverdichter Vorgabe der Randbedingungen Ziel der Berechnungen INLET Total Pressure, Temperature SchnelleKennfeldvorhersage So viele Rechenläufewie nötig, so wenige wie möglich! Nutzung von Ähnlichkeitsbeziehungen Vergleichverschiedener Entwürfe Druckverhältnisse Wirkungsgrade StabilerBetriebsbereich Steady Simulation RSI - Frozen Rotor SST-Turbulence Model OUTLET Static Pressure or Massflow NUMET 010 Seite 3

24 3.1 CFD-Simulation, Beispiel 1-Turboverdichter Planung Simulation EmpirischeKennfeldschätzung Simulation Strategy P stat Outlet = 150kPa Π ts = 1.48 Possible Unstable Region Π ts = 1.48 P tot Inlet = Pa P stat Outlet = 150kPa NUMET 010 Seite 4

25 3.1 CFD-Simulation, Beispiel 1-Turboverdichter SimulierteModelle Drei Laufräder, ein Spiralgehäuse 1. Laufrad ohnetip clearance. Laufradmit 0. mm Tip clearance 3. Laufradmit 0.4 mm Tip clearance Tip Clearance Shroud Span Hub Impeller NUMET 010 Seite 5

26 3.1 CFD-Simulation, Beispiel 1 -Turboverdichter Einfluss der Tip Clearance auf den Tip Vortex im Laufrad 0. mm Tip Clearance 0.4 mm Tip Clearance NUMET 010 Seite 6

27 3.1 CFD-Simulation, Beispiel 1 -Turboverdichter Einfluss der Tip Clearance auf die Machzahlvertreilungim Laufrad Mach Number 90% Span No Tip Clearance 0. mm Tip Clearance 0.4 mm Tip Clearance NUMET 010 Seite 7

28 3.1 CFD-Simulation, Beispiel 1 -Turboverdichter Einfluss der Tip Clearance auf Verdichter-Kennlinie und Wirkungsgrad No Tip Clearance 0. mm Tip Clearance 0.4 mm Tip Clearance Design Point CFturboEstimation NUMET 010 Seite 8

29 3.1 CFD-Simulation, Beispiel 1 -Turboverdichter Vorhersage der Pumpgrenze bei Ventilatoren und Verdichtern mittels CFD?? nredv = 50.9 * 103 min-1 Schwierig mittels quasistationären CFD- Berechnungen: hisv = Transientes Problem -Systemabhänging! Aufwendig mittels transienter Simulation Indizien für instabilen Bereich -Lösungsstabilität und Konvergenzverhalten schlechter als bei hohen Masseströmen -Versperrung des freien Strömungsquerschnitt am Laufradaustritt NUMET 010 Seite 9

30 3. CFD-Simulation, Beispiel - Pumpe Kennlinienberechnungmit verschiedenen CFD-Solvern -Auslegungder Pumpe mit CFturbo, analog Online-Demo -AutomatischeDatenaufbereitungund Vernetzung (t<30 min) -CFD-Simulation mitansys-cfx, CFdesign, PumpLinx -Kennlinienvergleich NUMET 010 Seite 30

31 3. CFD-Simulation, Beispiel - Pumpe Entwurf, CAE-Setup NUMET 010 Seite 31

32 3. CFD-Simulation, Beispiel - Pumpe PumpLinx NUMET 010 Seite 3

33 3. CFD-Simulation, Beispiel - Pumpe CFdesign NUMET 010 Seite 33

34 3. CFD-Simulation, Beispiel - Pumpe ANSYS-CFX NUMET 010 Seite 34

35 3. CFD-Simulation, Beispiel - Pumpe Vergleichder Kennlinen Auslegung CFturbo Abweichungen DH < 8 % Auswahl des CFD-Solvers nach speziellen Anforderungen und Möglichkeiten des Anwenders Empfehlung: Benchmarkdurchführen! NUMET 010 Seite 35

36 3.3 CFD-Simulation, Beispiel 3 -Axialventilator VirtuellerPrüfstand Kühlmodul -Grundsatzuntersuchungfür Einbauzustand im Fahrzeug -Berechnungder Lüfter-Kennlinienund derabströmprofile -VergleichverschiedenerMethoden zur Mittelung am Rotor-Stator- Interface NUMET 010 Seite 36

37 3.3 CFD-Simulation, Beispiel 3 - Axialventilator Zulaufgebiet Wärmetauscher Lüfterzarge Laufrad Stator Abströmkanalmit Verblockung NUMET 010 Seite 37

38 3.3 CFD-Simulation, Beispiel 3 -Axialventilator VirtuellerPrüfstand Kühlmodul - Transiente Strömungssimulation NUMET 010 Seite 38

39 3.3 CFD-Simulation, Beispiel 3 -Axialventilator Vergleichverschiedener Rotor-Stator-Interfaces Frozen Rotor 1:1 Übertragung der physikalischen Größen von der einen auf die andere Seite des Interfaces (Momentaufnahme) Mixing Plane (Stage Inteface) Umfangsmittelung - Radiales Impulsund Druckprofil wird um Drehachse rotiert (funktioniert in beide Richtungen) ALTERNATIVEN zur transienten Simulation! (?) NUMET 010 Seite 39

40 3.3 CFD-Simulation, Beispiel 3 - Axialventilator Mixing Plane Transient Rotor Stator Frozen Rotor V z NUMET 010 Seite 40

41 3.3 CFD-Simulation, Beispiel 3 -Axialventilator Abströmprofil -TransienteStrömungssimulation NUMET 010 Seite 41

42 3.3 CFD-Simulation, Beispiel 3 - Axialventilator RSI Differenz Statischer Druck (S3-S6) [Pa] Volumenstrom Q/Qref Lösung für MP und FR ist abhängig von der Lage der Rotor-Stator-Interfaces (RSI)! Berechnung der Arbeitsübertragung im Laufrad wird über Lage des RSI beeinflusst. Transient Mixing Plane (MP) Frozen Rotor (FR) NUMET 010 Seite 4

43 3.3 CFD-Simulation, Beispiel 3 - Axialventilator Frozen Rotor Transient Mixing Plane NUMET 010 Seite 43

44 3.3 CFD-Simulation, Beispiel 3 - Axialventilator Transient MP +0 mm/+0 mm MP +50 mm/+50 mm Fazit: Wahl und Lage der RSI immer kritisch hinterfragen, hier + 50 mm Abstand ausreichend NUMET 010 Seite 44

45 3.4 Software* Auslegungs- und Entwurfssoftware -Agile Design System, AxCent -ANSYS Blade Modeler -AxStream -CFturbo -Turbodesign -1 CFD-Simulationssoftware -ANSYS CFX, Fluent -CFdesign -Fine/TURBO -PumpLinx -STAR CCM+ (Firma) (Concepts NREC) (ANSYS) (SoftInWay) (CFturbo) (ADT) - Inverses Entwurfsverfahren (ANSYS) (Blue Ridge Numerics) (NUMECA) (Simerics) (CD Adapco) * ExemplarischeAufstellung, KeinerleiWertung der Programmedurchdie Reihenfolge, Kein Anspruchauf Vollständigkeit NUMET 010 Seite 45

46 3.5 Literatur Turbomaschinen ALLGEMEIN Werner Fister Fluidenergiemaschinen Bd. 1 und Springer-Verlag, 1984 und 1986 Carl Pfleiderer, Hartwig Petermann Strömungsmaschinen Springer-Verlag, 1991 Joachim Raabe Hydraulische Maschinen und Anlagen VDI-Verlag, 1989 Arnold Whitfield, Nicholas C. Baines Design of Radial Turbomachines Longman Scientific & Technical, 1990 TURBOVERDICHTER Ronald H. Aungier Centrifugal Compressors ASME Press, 000 Klaus H. Lüdtke Process Centrifugal Compressors Springer-Verlag, 004 Bruno Eckert, Erwin Schnell Axial-und Radialkompressoren Springer-Verlag, 1980 David Japikse Centrifugal Compressors Design and Performance Concepts ETI, 1996 N. A. Cumpsty Compressor aerodynamics Krieger publishing, 004 Ernst Lindner Turboverdichter, in: Taschenbuch Maschinenbau, Band 5 Verlag Technik Berlin, 1989 TURBINEN Ronald H. Aungier Turbine Aerodynamics ASME Press, 006 Hany Moustapha, Mark Zelesky, Nicholas C. Baines, Davide Japikse Axial and Radial Turbines Concepts NREC, 003 VENTILATOREN Leonhard Bommes, Jürgen Fricke, Reinhard Grundmann Ventilatoren Vulkan-Verlag, 003 Bruno Eck Ventilatoren Springer-Verlag, 1991 Thomas Carolus Ventilatoren Teubner-Verlag, 003 KREISELPUMPEN Johann F. Gülich Kreiselpumpen Springer-Verlag, 1999 Kurt Holzenberger, Klaus Jung Kreiselpumpen Lexikon KSB AG, 1989 John Tuzson Centrifugal pump design John Wiley & Sons, 000 Walter Wagner Kreiselpumpen und Kreiselpumpenanlagen Vogel-Verlag, 1994 Gotthard Will Kreiselpumpen, in: Taschenbuch Maschinenbau, Band 5 Verlag Technik Berlin, NUMET 010 Seite 46

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