Auslegung, Entwurf, Nachrechnung und Optimierung einer Hochdruck-Turboverdichterstufe

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1 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 Netzgenerierung ANSA, ANSYS ICEM CFD, Pointwise, TurboGrid CFD/FEM-Simulation ANSYS-CFX, ANSYS-Mechanical, PumpLinx, STAR CCM+, FineTurbo, Auslegung, Entwurf CFturbo Nachrechnung/Optimierung: interaktiv oder automatisch Produktion CAD CATIA, SolidWorks, UG NX, ProE, BladeModeler, Experiment Rapid Prototyping, Validierung CFturbo ASA 2

3 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 = min -1 Motorleistung: P m = 30.0 kw Verfügbare Leistung: P i = 25.5 kw Berücksichtigung geometrischen Rand- bedingungen des Gehäuses, der Anschlussmaße, sowie fertigungsrelevanter Parameter. 3

4 2. Entwurfsprozess Stufenentwurf mit CFturbo b 2 D 2 D S 4

5 2. Entwurfsprozess Laufrad l ax Parameter: Anzahl Schaufeln 8x8 Saugmund D S [mm] 56 Naben D N [mm] 20 Außen D 2 [mm] 104 Eintrittswinkel b 1 [ ] 34.5 Austrittswinkel b 2 [ ] 55 Austrittsbreite b 2 [mm] 3.2 Ax. Erstreckung l ax [mm] 25 Fussverrundung [mm] 1.5 Umschlingung ε [ ] 57 D S D N D 2 b 2 5

6 2. Entwurfsprozess Radialdiffusor Parameter: Anzahl Schaufeln - Innen D I [mm] 104 Außen D A [mm] 128 Austrittsbreite b 2 [mm] 3.4* Spaltabstand s [mm] 0.3 D I D A * Zuschlag von 0.2mm auf Grund von Fertigungstoleranzen b 2 6

7 2. Entwurfsprozess Spiralgehäuse b Sp D out Diff Parameter: D in Sp [mm] 128 D out Diff [mm] 30 Wrap angle Sp [ ] 360 t Sp [mm] b Sp [mm] 155,5 L Diff L Diff [mm] 110 Cone Angle [ ] 4.1 tsp D in SP Form Spiralgehäuse Methode Kreis sym. Pfleiderer 7

8 3. CFD-Simulation Eintrittsdruck Ziele und Vorgehen: Zuverlässige Berechnung der Kennlinien Totaldruckverhältnis, Wirkungsgrad, Leistungsaufnahme Analyse der 3D-Strömungsverhältnisse Bewertung unterschiedlicher Varianten Gezielte Variation geometrischer Parameter Massenstrom Stationäre Simulation, Kontrollrechnung transient Frozen-Rotor-Modell SST-Turbulenzmodel 8

9 3. CFD-Simulation Direkter Import aus CFturbo 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 9

10 tt - Stufe [-] 3. CFD-Simulation Verdichterkennlinie, Verhältnis Totaldruck-Totaldruck 8,00 7,50 7,00 Stage08_Stufe_90kumin Stage08_Stufe_100kumin Stage09_Stufe_90kumin Stage17_Stufe_90kumin 6,50 6,00 5,50 5,00 4,50 Zielvorgabe 4,00 3,50 3,00 0,08 0,09 0,1 0,11 0,12 0,13 0,14 Massenstrom [kg/s] 10

11 Wirkungsgrad [-] 3. CFD-Simulation Verdichterkennlinie, Wirkungsgrad 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70 Stage08_Laufrad_90kumin Stage17_Laufrad_90kumin Stage08_Stufe_90kumin Stage08_Stufe_100kumin Stage09_Stufe_90kumin Stage17_Stufe_90kumin Stage17 bester Wirkungsgrad im Auslegungspunkt 0,65 0,60 0,55 0,50 0,08 0,09 0,1 0,11 0,12 0,13 0,14 Massenstrom [kg/s] 11

12 Innere Leistung [W] 3. CFD-Simulation Verdichterkennlinie, innere Leistung , , , , , , , , , , , , , , , , ,00 Stage08_Laufrad_90kumin Stage08_Laufrad_95kumin Stage08_Laufrad_100kumin Stage09_Laufrad_90kumin Stage09_Laufrad_95kumin Stage17_Laufrad_90kumin tt = 5,2 tt = 4,8 tt = 4,2 tt = 4,0 Max. Motorleistung ,00 0,08 0,09 0,1 0,11 0,12 0,13 0,14 Massenstrom [kg/s] tt = 5,3 tt = 4,8 tt = 4,2 tt = 4,1 Stage08, 09, 17 erreichen die Auslegungsziele! tt = 4.0 Pi < 25.5kW 12

13 3. CFD-Simulation Geschwindigkeit im Gesamtmodell n = u/min Q = 0.11 kg/s Stage08 Stage17 Starke Ablösungen im Druckstutzen Modifikation des Spiralgehäuses: Kleinerer Öffnungswinkel Druckstutzen Verbesserung notwendig 13

14 3. CFD-Simulation Statischer Druck im Gesamtmodell n = u/min Q = 0.11 kg/s Stage08 Stage17 gleichmäßigerer Druckaufbau im Spiralgehäuse 14

15 3. CFD-Simulation Statischer Druck, Blade-to-Blade View Stage17 n = u/min Q = 0.11 kg/s Span =

16 3. CFD-Simulation Statischer Druck in Meridianebene n = u/min Q = 0.11 kg/s Stage08 Stage17 16

17 3. CFD-Simulation Geschwindigkeit in Meridianebene n = u/min Q = 0.11 kg/s Stage08 Stoßfreier Übergang Laufrad- Diffusor Stage17 Ablösung aufgrund Fertigungstoleranz von 0.2mm 17

18 ts - Stufe [-] 4. Vergleich CFD-Versuch 4,50 4,25 4, U/min 3, U/min 3,50 3,25 3, U/min U/min 2, U/min 2,50 2,25 CFD Experiment Versuch T 1 Ref. Temp.: 293K Ref. pressure: 1bar 2,00 0,08 0,09 0,1 0,11 0,12 0,13 0,14 0,15 0,16 korrigierter Massenstrom [kg/s] 18

19 η Stufe [-] 4. Vergleich CFD-Versuch 1,00 0,95 0,90 Abweichungen zwischen CFD und Versuch vermutlich durch Methodik der messtechnischen Wirkungsgradbestimmung (Temperaturdifferenzen) 0,85 0,80 0, U/min 0,70 0,65 0, U/min U/min U/min U/min 0,55 0,50 0,45 CFD Experiment Versuch T 1 Ref. Temp.: 293K Ref. pressure: 1bar 0,40 0,08 0,09 0,1 0,11 0,12 0,13 0,14 0,15 0,16 korrigierter Massenstrom [kg/s] 19

20 5. FEM-Simulation zum Festigkeitsnachweis Spannsatz nicht betrachtet Vereinfachung im FEM-Modell Welle Laufrad Spannmutter Spannsatz 20

21 5. FEM-Simulation Parametrischer Aufbau der Tragscheibengeometrie Maße Kontur Tragscheibenvariante Var1 b Tr Var1 Var2 Bezeichnung Größe [mm] Größe [mm] b Tr Var2 H H H H V V V V V R Gestaltung der Tragscheibengeometrie hinsichtlich kleiner Vergleichsspannungen und Verschiebungen. Der parametrischer Aufbau erlaubt prinzipiell einen automatisierten Simulationsprozess. 21

22 5. FEM-Simulation Randbedingungen / Simulationssetup Belastung des Laufrads durch: Trägheitslasten Temperatur Druckkräfte ω Bei Ermittlung der Tragscheibengeometrie ausschließliche Betrachtung der Trägheitslasten und Temperatur. Einfluss der Druckkräfte vernachlässigbar. F r τ θ F ax Druckkräfte aus CFD-Simulation T=150 C 22

23 5. FEM-Simulation Vergleichsspannungen (von Mises) Var1 Var Hohe Spannungen im Bereich 1 nicht aussagekräftig, da Vereinfachungen im Simulationsmodell. 23

24 5. FEM-Simulation Ergebnisse, Verschiebungen Ergebnisse Var1 Verschiebung in axialer Richtung > 0.3mm Kontakt zwischen Laufrad Gehäuse! τ θ Verschiebungen in radialer Richtung Verschiebungen in axialer Richtung Gesamtverschiebung 24

25 5. FEM-Simulation Ergebnisse, Verschiebungen Ergebnisse Var2 Verschiebungen kleiner 0.3mm! τ θ Verschiebungen in radialer Richtung Verschiebungen in axialer Richtung Gesamtverschiebung 25

26 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 τ θ 26