Auslegung, Entwurf und Nachrechnung von Hochleistungs-Kreiselpumpen mittels CFturbo und Ansys CFX

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1 8. CFD Seminar Power Generation Auslegung, Entwurf und Nachrechnung von Hochleistungs-Kreiselpumpen mittels CFturbo und Ansys CFX Dr.-Ing. Oliver Velde CFturbo Software & Engineering GmbH

2 Inhalt Intro 03 Beispiel 04 Entwurfsprozess und Vernetzung 06 Optimierung 14 Zusammenfassung CFturbo Software &Engineering GmbH Seite 2/16

3 Entwurfsprozess allgemein Netzgenerierung ICEM-CFD Tetra/Prism, HEXA,TurboGrid, CFD/FEM Simulation ANSYS-CFX, Fluent, Dimensionierung, Entwurf CFturbo Optimierung: halbautomatisch Produktion CAD Catia, SolidWorks, UG-NX, ProE, Messungen Rapid Prototyping, Validation CFturbo Software &Engineering GmbH Seite 3/16

4 Beispiel Hochleistungs-Kreiselpumpe für Kühlkreislauf in einem Kraftwerk Dieses Bild basiert auf dem Bild Kohlekraftwerk.svg aus der freien Mediendatenbank Wikimedia Commons und steht unter der GNU- Lizenz fürfreiedokumentation.der Urheber des Bildesist Kolossos. Kühlwasserpumpe CFturbo Software &Engineering GmbH Seite 4/16

5 Beispiel Hochleistungs-Kreiselpumpe für Kühlkreislauf in einem Kraftwerk Entwurfsaufgabe Pumpe soll optimal zur Anlage passen Anlagenkennlinie Ausgangspunkt Betriebspunkt Volumenstrom = 1500 m 3 /h Förderhöhe = 140 m Drehzahl = min -1 Betriebspunkt Pumpenkennlinien (n = konst.) Hauptabmessungen Meridiankontur Schaufelentwurf Spiralenentwurf Stage Design CFturbo Software &Engineering GmbH Seite 5/16

6 Entwurfsprozess mit CFturbo: Laufradentwurf Hauptabmessungen Stoffdaten, Auslegungspunkt, Parameter CFturbo Software &Engineering GmbH Seite 6/16

7 Entwurfsprozess mit CFturbo: Laufradentwurf Meridiankontur Schaufeleigenschaften Skelettlinien Schaufelprofile Trag- & Deckscheibe Ein- & Austrittskante Schaufelform Geschwindigkeitsdreiecke Ein- & Austrittwinkel Schaufelwinkelverteilung Umschlingungswinkel Skelettlinien Dickenverteilung Form der Ein- & Austrittskante b 2 b CFturbo Software &Engineering GmbH Seite 7/16

8 Entwurfsprozess mit CFturbo: Spirale Stufe Stufe Kompletter Entwurf: Laufrad und Spiralgehäuse CFturbo Software &Engineering GmbH Seite 8/16

9 Entwurfsprozess mit CFturbo: Pre-Processing Direkter Export nach ICEM CFD Aufbereitung von Modell und Geometrie CFturbo Software &Engineering GmbH Seite 9/16

10 Entwurfsprozess mit CFturbo: Pre-Processing Vernetzung mit ICEM CFD Meshing Parameter Dialog Vernetzung Tetra Mesh mit Prism Layers Automatisiertes, Skript-basierte Vernetzung Komplettes Parametersetup in CFturbo Entwurf und Vernetzung einer gesamten Pumpenstufe weniger als ½ Stunde CFturbo Software &Engineering GmbH Seite 10/16

11 Simulation Simulation Setup Ziel, Modell, Randbedingungen Simulation Setup Eintrittsdruck Steady Simulation Frozen Rotor Turbulence Model: SST Ziele Schnelle Kennlinienbestimmung So viele Simulationen wie nötig, aber so wenig wie möglich Vergleich von zwei oder mehreren Entwürfen Förderhöhe Wirkungsgrad Kennlinienbreite Volumenstrom CFturbo Software &Engineering GmbH Seite 11/16

12 Simulation Simulationsstrategie Bestimmung von Randbedingungen Kennlinienabschätzung Randbedingungen für komplette Kennlinie Förderhöhe P Inlet = 0 Volumenstrom (Austritts-RB) CFturbo Software &Engineering GmbH Seite 12/16

13 Post-Processing Ergebnisse Kennlinie, Druckverteilung, Geschwindigkeiten 200,00 160,00 H [m] 120,00 80,00 Auslegungspunkt um 10% verfehlt 40,00 0, Volumenstrom [m 3 /h] CFturbo Software &Engineering GmbH Seite 13/16

14 Optimierung Erstentwurf: Entwurfsaufgabe Entwurf Geometrie & Netz Auswertung: Formulierung von Parameter und Zielfunktion für Optimierung Post-Processing Simulation Kennlinienabschätzung: Abschätzung des Einfluss der Laufradvergrößerung aufgrund von Erfahrungssätzen Zielfunktion: Förderhöhe im Auslegungspunkt Parameter: Laufradaußendurchmesser d = 363 mm d = 380 mm CFturbo Software &Engineering GmbH Seite 14/16

15 Optimierung Erstentwurf, Zielfunktion & Parameter Parameteränderung 200,00 160,00 Auswertung: Istgröße Zielgröße < ε? d = 380 mm Normalerweise 3..5 Durchläufe H [m] 120,00 80,00 d = 363 mm Simulation & Post- Processing Geometrie & Netz mittels ICEM-Skripte 40,00 0, Volumenstrom [m 3 /h] CFturbo Software &Engineering GmbH Seite 15/16

16 Zusammenfassung Rapid-Design-Prozess mit CFturbo und ANSYS Parametrischer/halbautomatischer Entwurf von Turbomaschinen radialer und halbaxialer Bauart Stabiler Prozess der Kennlinienabschätzung Kompletter Prozess ist batchfähig CFturbo Software &Engineering GmbH Seite 16/16

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