Turbomaschinenentwurf gestern, heute, morgen

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1 Turbomaschinenentwurf gestern, heute, morgen Gero Kreuzfeld, Ralph-Peter Müller, Oliver Velde, CFturbo Software & Engineering GmbH, Dresden Strömungstechnische Tagung 2014, TU Dresden anlässlich des 100. Geburtstags von Werner Albring

2 Rückblick - Turbomaschinenentwurf an der TU Dresden Prof. Werner Albring Institut für Angewandte Strömungslehre Studium / Promotion der Autoren Prof. Ernst Lindner, Dr. Reinhard Pauer Institut für Strömungsmechanik Lehrgebiet Turbomaschinen Programm TULA Prof. Gotthard Will, Dr. Michael Schwanse Institut für Energiemaschinen Lehrstuhl für Pumpen, Verdichter Programm KREILA Strömungstechnische Tagung 2014 Werner Albring, TU Dresden 2

3 Rückblick - Turbomaschinenentwurf an der TU Dresden Beispiel KREILA Programm zum Entwurf von Pumpen-Laufrädern 1980er, Unix 1990er, DOS Strömungstechnische Tagung 2014 Werner Albring, TU Dresden 3

4 Neuentwicklung der Auslegungs- und Entwurfssoftware CFturbo Professionelle Programmentwicklung seit 2003 Übernahme einiger Grundideen aus KREILA und TULA Auslegungs-/ Betriebspunkt Q, Dp, n,, Stoffwerte Eintrittsbedingungen Fundamentale Gleichungen Eulerglg. d. Turbomaschinen, Kontinuitätsgleichung, Impulssatz, Referenzgeometrie - Elemente aus CFturbo CFturbo Neue bzw. modifizierte Geometrie Empirische Funktionen Allgemein zugängiges Wissen, erweiterbare Datenbasis, firmeneigenes Know-How Existierende Geometrie- Elemente (von extern) Strömungstechnische Tagung 2014 Werner Albring, TU Dresden 4

5 Software CFturbo - Beispiele Pumpen n q 25 n q 70 n q 120 Ventilator Verdichter Turbine Strömungstechnische Tagung 2014 Werner Albring, TU Dresden 5

6 Software CFturbo - Demonstration Entwurf einer einstufigen radialen Kreiselpumpe Auslegungsdaten - Volumenstrom Q= 100 m³/h - Förderhöhe H =100 m - Drehzahl n = 4800 min -1 - Fluiddichte r = kg/m³ Strömungstechnische Tagung 2014 Werner Albring, TU Dresden 6

7 Entwurfsprozess einer Turbomaschine CAE - Computer Aided Engineering Entwurf Nachrechnung/Optimierung Produkt Vernetzung ANSA, AutoGrid, ICEM, Pointwise, TurboGrid, CFD/FEM Simulation CCM+, CFX, FINE/Turbo, PumpLinx, OpenFOAM Auslegung, Entwurf CFturbo Optimierung interaktiv oder automatisch Produkt CAD CATIA, Creo, NX, Inventor, SolidWorks, Messung Rapid Prototyping, Validierung Strömungstechnische Tagung 2014 Werner Albring, TU Dresden 7

8 Manuell-intuitive Optimierung CFturbo & ANSYS Traditionelle Arbeitsweise von Entwurf und Nachrechnung mehrere Modelle Varianten, Bearbeitungszeit 1-3 Wochen, Kosten ~ Auslegungsdaten Totaldruckverhältnis: tt = 4 Massenstrom: ṁ = 0.11 kg/s Drehzahl: n = min -1 Max. Motorleistung: P m < 30 kw 20 Entwürfe 20 BP/Kennlinen 1 Prototyp Strömungstechnische Tagung 2014 Werner Albring, TU Dresden 8

9 Laufradoptimierung CFturbo & CCM+ HEEDS Einbindung von CFturbo in einen Simulations- und Optimierungsprozess - Automatisierte Bearbeitung (~ 300 verschiedene Modellvarianten) - Gitter ~ 3 Mio. Elemente, Quasi-stationäre Simulation (MFR) - Rechenzeit ~ 300 h (Gitterfeinheit, Parallelisierung, physik. Modell) Requirements Performance Optimization SHERPA Strömungstechnische Tagung 2014 Werner Albring, TU Dresden 9

10 Laufradoptimierung CFturbo & CCM+ HEEDS Goals Minimize: Power Requirements (P) Such That: Head (H) > m (Manually Optimized Head) 396 < Flow rate (Q) < 404 m³/h By Varying: 4 < Number of Blades < < β LeadingEdge i < rads < β TrailingEdge i < rads 0.0 < Leading Edge i < 1.0 (relative ) 0.05 < LE Hub < 0.75 (relative) 0.05 < Led Shroud < 0.75 (relative) 0.0 < θ LeadingEdge < 1.0 (relative pos.) 0.0 < θ TrailingEdge < 1.0 (relative pos.) MAIN BLADE MEANLINE CONTOUR θ LeadingEdge θ TrailingEdge NUMBER OF BLADES IMPELLER MERIDIONAL CONTOUR LeadingEdgeShroud LeadingEdge 2y LeadingEdge 3 LeadingEdge 1 LeadingEdge 2x LeadingEdgeHub β i LeadingEdge β i TrailingEdge Strömungstechnische Tagung 2014 Werner Albring, TU Dresden 10

11 STAR-CCM+ OPTIMIZED DESIGN CFturbo Responses Change design variables SHERPA Leistungsaufnahme - 6% Strömungstechnische Tagung 2014 Werner Albring, TU Dresden 11

12 Ausblick Cloud Computing Cluster/ Cloud: - Kennfeldsimulation - Geometrieoptimierung Voraussetzung > Automatisierte Workflows CFturbo: - Initialer Entwurf - Parametrische Modifikation der Geometriemodelle Kostenschätzung (CPU+Speicherplatz): - Simulation, 1 Betriebspunkt (BP) ~ Kennfeldsimulation, 30 BP ~ Optimierung einer Stufe, 300xSim. ~ Strömungstechnische Tagung 2014 Werner Albring, TU Dresden 12

13 Ausblick Vision für CFturbo Intensives Cloud Computing zur wesentlichen Erweiterung der empirischen Datenbasis von CFturbo. Erarbeitung bislang nicht bekannter Korrelationen Ziele Hochqualitative Erstentwürfe Zuverlässige Kennfeldschätzung Strömungstechnische Tagung 2014 Werner Albring, TU Dresden 13

14 Strömungstechnische Tagung 2014 Werner Albring, TU Dresden 14