NUMET Auslegung und CFD-Simulation von Strömungsmaschinen

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1 NUMET 016 Auslegung und CFD-Simulation von Strömungsmaschinen Dipl.-Ing. Ralph-Peter Müller CFturbo Software & Engineering GmbH

2 Inhalt 1. Einführung 1.1 Klassifizierung Strömungsmaschinen 1. Entwicklungsprozess für eine neueturbomaschine. Auslegungsmethodik von Strömungsmaschinen.1 Grundgleichungen zur Auslegung von Strömungsmaschinen. Anwendung empirischer Erkenntnisse beim Laufradentwurf.3 Auslegung einer einstufigen Kreiselpumpe, Online-Demo.4 Automatische Laufradoptimierung Pumpe 3. CFD-Simulation von Strömungsmaschinen 3.1 Beispiel 1, Turboverdichter Vernetzungs- und Simulationsmethodik 3. Beispiel, Axialpumpe mit Kaviation 3.3 Beispiel 3, Axialventilator Rotor-Stator-Interfaces 3.4 Software Seite

3 1.1 Klassifizierung von Strömungsmaschinen Kreiselpumpen Propeller Windturbinen Dampf- und Gasturbinen Ventilatoren Wasserturbinen Gebläse Turboverdichter Abgasturbolader Seite 3

4 1.1 Klassifizierung von Strömungsmaschinen Laufradform * Q nq 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) Seite 4

5 1.1 Klassifizierung von Strömungsmaschinen, Beispiele Pumpen n q 5 n q 70 n q 10 Ventilator Verdichter Turbine Seite 5

6 1. Typischer Entwicklungsprozess für eine neue Maschine mittels CAE Methoden (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

7 .1 Grundgleichungen zur Auslegung von Strömungsmaschinen.1.1 Masseerhaltung (Kontinuität) Allgemein: Inkompressibel: Laufrad: m A c const. Q Q A c const. 4 d S dn cms db cm.1. Impulserhaltung Allgemein : Inkompressibel : Laufrad: (Umfangsrichtung) m c F 0 c A F F F F 0 p G Impuls Wandreibung Statischer Druck Wanddruck Gravitation F u m c P M m c u W M m u u c u r Eulersche Hauptgleichung der Turbomaschinen Seite 7

8 .1 Grundgleichungen zur Auslegung von Strömungsmaschinen.1.3 Energieerhaltung Erster Hauptsatz der Thermodynamik: mh P P 0 Enthalpiestrom t Th Me mechanisch thermisch mit h t p U Innere Energie statisch c gz potentiell dynamisch Ohne äußere Energieübertragung; U=const.: 1 h 0 p p c gz p c gz p m t t V Totaldruck (Staudruck) Druckverluste Bernoulli-Gleichung für stationäre Strömung Seite 8

9 Inkompressibel: = const. T = const. m const. c c p p m h m P 1 1 t Me c c p p p gh h Y 1 1 t t 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.1.3 Energieerhaltung.1 Grundgleichungen zur Auslegung von Strömungsmaschinen Seite 9

10 .1 Grundgleichungen zur Auslegung von Strömungsmaschinen.1.4 Absolute und relative Strömung Absolutgeschwindigkeit Relativgeschwindigkeit Umfangsgeschwindigkeit w c u r Kinematische Grundgleichung der Turbomaschinen c u w Eulergleichung P M m c Spezifische Arbeit u u Y=P/m= c u *u c u1 *u 1 Seite 10

11 . Grundgleichungen zur Auslegung von Strömungsmaschinen.1.4 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 s (c u ) bei ansonsten vergleichbaren Bedingungen. Geschwindigkeitsdreiecke : Winkel der Absolutströmung : Winkel der Relativströmung Seite 11

12 .1 Grundgleichungen zur Auslegung von Strömungsmaschinen.1.5 Leistung Förderleistung Kupplungsleistung P P m Y Q gh Q Q p t C P ~ P S P M P ~ m ~ Y ~ Mechanische Verluste (Dichtungen, Lager) Radseitenreibung Schaufelleistung (inkl. Strömungsverluste und Leckage) m Y v h T PQ Interne Arbeit Interner Massestrom v h T Entwurfswirkungsgrad Seite 1

13 .1 Grundgleichungen zur Auslegung von Strömungsmaschinen.1.6 Wirkungsgrad Gesamtwirkungsgrad i m P P Q C Förderleistung Nutzen Kupplungsleistung Aufwand i Innerer WG h T v s PM Mechanischer WG m 1 95% 99.5% P Radseitenreibungs WG Volumetrischer WG Tip clearance WG s v C P 1 P S C (kleine große Maschinen) 65% 99% Q 93% 99% Q ~ P 1 P 1 k Strömungs WG Y h 60% 95% Y ~ T (Maschinengröße ) T C x b b 1 Tip (n q ) Seite 13

14 . Anwendung empirischer Erkenntnisse beim Laufradentwurf Zur Gestaltung der Laufräder und Spiralgehäuse werden eine Reihe von verfügbaren empirischen Zusammenhängen genutzt. Diese sind im Regelfall über der spezifischen Drehzahl aufgetragen - dimensionslos oder dimensionsbehaftet - z.b. für - Verschiedene Wirkungsgrade - Druckzahl - Breitenzahl, Durchmesserzahl - Minderumlenkung, Minderleistung - Eintritts- und Austrittswinkel der Strömung - Umschlingungswinkel der Schaufeln - Schaufelanzahlen - Schaufeldickenverteilung Nutzung allgemein zugängiger und/oder proprietäter Erkenntnisse im Entwurfsprozess Seite 14

15 .3 Auslegung und Entwurf einer einstufigen Kreiselpumpe Online Auslegungsdaten Volumenstrom Q=400 m³/h, Förderhöhe H=9 m (p total 3.0 bar), Drehzahl n=1800 min -1 Fluiddichte 1000 kg/m³ Seite 15

16 .4 Automatische Laufradoptimierung Pumpe - Automatisierte Bearbeitung (~ 300 verschiedene Modellvarianten) - Gitter ~ 3 Mio. Elemente, Quasi-stationäre Simulation (MFR) - Rechenzeit ~ 300 h (Gitterfeinheit, Parallelisierung, physik. Modell) CFturbo CCM+ Design goals Performance Optimization HEEDS Seite 16

17 .4 Automatische Laufradoptimierung Pumpe Goals Minimize: Power Requirements (P) Such That: Head (H) > 9.18 m (Manually Optimized Head) 396 < Flow rate (Q) < 404 m³/h By Varying: 4 < Number of Blades < < β LeadingEdgei < rads < β TrailingEdgei < 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 y LeadingEdge3 LeadingEdge 1 LeadingEdge x LeadingEdgeHub β i LeadingEdge β i TrailingEdge Seite 17

18 STAR-CCM+ OPTIMIZED DESIGN CFturbo Responses Change design variables SHERPA Leistungsaufnahme - 6% Seite 18

19 .4 Automatische Laufradoptimierung Pumpe Manuell optimierter Entwurf Q = 400 m 3 /hr P: 38,46.9 W H: m HEEDS Automated Optimization Q = 400 m 3 /hr P: 36,08.8 W 6% + im Wirkungsgrad H: m Seite 19

20 3. CFD-Simulation von Strömungsmaschinen Anhand weiterer Beipiele werden die Integration der Entwürfe in die CAE- Umgebung dargestellt, sowie verschiedene Aspekte zur Vernetzung, CFD- Simulation und Optimierung erläutert. 1. Beispiel 1 - Turboverdichter. Beispiel - Axialpumpe 3. Beispiel 3 - Axialventilator Seite 0

21 3.1 Manuell-intuitive Optimierung Turboverdichter Traditionelle Arbeitsweise von Entwurf und Nachrechnung mehrere Modelle, 10-0 Varianten, Bearbeitungszeit 1-3 Wochen Auslegungsdaten Totaldruckverhältnis: tt = 4 Massenstrom: ṁ = 0.11 kg/s Drehzahl: n = min -1 Max. Motorleistung: P m < 30 kw 0 Entwürfe 0 Kennlinen 1 Prototyp Seite 1

22 3.1 CFD-Simulation, Beispiel 1 - Turboverdichter Ableitung Berechnungsgebiet (Flow Domain) Seite

23 3.1 CFD-Simulation, Beispiel 1 - Turboverdichter Vergabe der Vernetzungsparameter Automatisierte Vernetzung Setup im Auslegungsprogramm Seite 3

24 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 Seite 4

25 3.1 CFD-Simulation, Beispiel 1 - Turboverdichter Vorgabe der Randbedingungen INLET Total Pressure, Temperature Ziel der Berechnungen Schnelle Kennfeldvorhersage So viele Rechenläufe wie nötig, so wenige wie möglich! Nutzung von Ähnlichkeitsbeziehungen Vergleich verschiedener Entwürfe Druckverhältnisse Wirkungsgrade Stabiler Betriebsbereich Steady Simulation RSI - Frozen Rotor SST-Turbulence Model OUTLET Static Pressure or Massflow NUMET 010 Seite 5

26 3.1 CFD-Simulation, Beispiel 1 - Turboverdichter Planung Simulation Empirische Kennfeldschätzung Simulation Strategy P stat Outlet = 150kPa P ts = 1.48 Possible Unstable Region P ts = 1.48 P tot Inlet = Pa P stat Outlet = 150kPa Seite 6

27 3.1 CFD-Simulation, Beispiel 1 - Turboverdichter Simulierte Modelle Drei Laufräder, ein Spiralgehäuse 1. Laufrad ohnetip clearance. Laufrad mit 0. mm Tip clearance 3. Laufrad mit 0.4 mm Tip clearance Tip Clearance Shroud Span Hub Impeller NUMET 010 Seite 7

28 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 8

29 3.1 CFD-Simulation, Beispiel 1 - Turboverdichter Einfluss der Tip Clearance auf die Machzahlvertreilung im Laufrad Mach Number 90% Span No Tip Clearance 0. mm Tip Clearance 0.4 mm Tip Clearance Seite 9

30 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 CFturbo Estimation Seite 30

31 3. CFD-Simulation, Beispiel - Axialpumpe - Typical design point for axial pump - First initial conceptual design by CFturbo - No diffuser or inlet guide vane. Rotor in pipe. n = 780 rpm H = 15.6 feet Q = 3,400 gpm NPSHr = 7 feet Tip diameter = 3 inches Shroud diameter = 3.5 inches 0.3 hub/tip ratio - Steady state & transient imulation, - Cavitation Seite 31

32 3. CFD-Simulation, Beispiel - Axialpumpe Leading edge blade tip cavitation Seite 3

33 p total [Pa] Auslegung und CFD-Simulation von Strömungsmaschinen 3. CFD-Simulation, Beispiel - Axialpumpe Steep performance curve with saddle point, that is typical for axial pumps Massflow [kg/s] steady state transient transient with Cavitation model Seite 33

34 efficiency [-] Auslegung und CFD-Simulation von Strömungsmaschinen 3. CFD-Simulation, Beispiel - Axialpumpe 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0, 0,1 Very first initial design >> hydraulic efficiency should be significantly improved transient stady state transient with Cavitation model MassFlow [kg/s] Seite 34

35 3.3 CFD-Simulation, Beispiel 3 - Axialventilator Zulaufgebiet Wärmetauscher Lüfterzarge Laufrad Stator Abströmkanal mit Verblockung Seite 35

36 3.3 CFD-Simulation, Beispiel 3 - Axialventilator Abströmprofil, Transiente Strömung Seite 36

37 3.3 CFD-Simulation, Beispiel 3 - Axialventilator Vergleich verschiedener 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! (?) Seite 37

38 3.3 CFD-Simulation, Beispiel 3 - Axialventilator Mixing Plane Transient Rotor Stator Frozen Rotor V z Seite 38

39 3.3 CFD-Simulation, Beispiel 3 - Axialventilator Abströmprofil - Transiente Strömungssimulation Seite 39

40 Differenz Statischer Druck (S3-S6) [Pa] Auslegung und CFD-Simulation von Strömungsmaschinen 3.3 CFD-Simulation, Beispiel 3 - Axialventilator RSI 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. Volumenstrom Q/Qref Transient Mixing Plane (MP) Frozen Rotor (FR) Seite 40

41 3.3 CFD-Simulation, Beispiel 3 - Axialventilator Frozen Rotor Transient Mixing Plane Seite 41

42 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 Seite 4

43 3.4 Kommerzielle Software* Auslegungs- und Entwurfssoftware (Firma) - AxCent (Concepts NREC) - ANSYS Blade Modeler (ANSYS) - AxStream (SoftInWay) - CFturbo (CFturbo) - Turbodesign -1 (ADT) - Inverses Entwurfsverfahren CFD-Simulationssoftware - ANSYS-CFX, Fluent (ANSYS) - FloEFD (Mentor Graphics) - Fine/TURBO (NUMECA) - PumpLinx (Simerics) - STAR CCM+ (CD adapco/siemens) * Exemplarische Aufstellung, Keinerlei Wertung der Programme durch die Reihenfolge, Kein Anspruch auf Vollständigkeit Seite 43

44 Literatur 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, 1989 Seite 44