8. CFD Seminar “Power Generation”

Auslegung, Entwurf und Nachrechnung vonHochleistungs-Kreiselpumpen mittels CFturbo undAnsys CFX

Dr.-Ing. Oliver Velde CFturbo® Software & Engineering GmbH

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Inhalt

Intro 03

Beispiel 04

Entwurfsprozess und Vernetzung 06

Optimierung 14

Zusammenfassung 16

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Dimensionierung,Entwurf CFturbo®

NetzgenerierungICEM-CFD Tetra/Prism,

HEXA, TurboGrid, …

CADCatia, SolidWorks,UG-NX, ProE,…

ProduktionOptimierung:halbautomatisch

CFD/FEM SimulationANSYS-CFX, Fluent,…

MessungenRapid Prototyping,

Validation

Entwurfsprozess allgemein

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Beispiel Hochleistungs-Kreiselpumpe für Kühlkreislauf in einem Kraftwerk

Kühlwasserpumpe

Dieses Bild basiert auf dem Bild Kohlekraftwerk.svg aus der freienMediendatenbank Wikimedia Commons und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. Der Urheber des Bildes ist Kolossos.

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Volumenstrom = 1500 m3/h Förderhöhe = 140 mDrehzahl = 3.000 min-1

• Hauptabmessungen• Meridiankontur• Schaufelentwurf• Spiralenentwurf

Stage Design

Beispiel Hochleistungs-Kreiselpumpe für Kühlkreislauf in einem Kraftwerk

Pumpe soll optimal zur Anlage passen

Entwurfsaufgabe

Betriebspunkt

Ausgangspunkt

Anlagenkennlinie

Pumpenkennlinien (n = konst.)

Betriebspunkt

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Stoffdaten, Auslegungspunkt,

Parameter

Hauptabmessungen

Entwurfsprozess mit CFturbo: Laufradentwurf

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Trag- & DeckscheibeEin- & Austrittskante

Entwurfsprozess mit CFturbo: Laufradentwurf

Meridiankontur

SchaufelformGeschwindigkeits-

dreieckeEin- & Austrittwinkel

Schaufeleigenschaften

β2

Schaufelwinkel-verteilung

Umschlingungswinkel

Skelettlinien

DickenverteilungForm der Ein- & Austrittskante

Schaufelprofile

β1

Skelettlinien

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Kompletter Entwurf: Laufrad und

Spiralgehäuse

Stufe

Entwurfsprozess mit CFturbo: Spirale → Stufe

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Aufbereitung von Modell und Geometrie

Direkter Export nach ICEM CFD

Entwurfsprozess mit CFturbo: Pre-Processing

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Meshing Parameter Dialog

Vernetzung mit ICEM CFD

Automatisiertes, Skript-basierte VernetzungKomplettes Parametersetup in CFturbo

Entwurfsprozess mit CFturbo: Pre-Processing

Tetra Mesh mit Prism Layers

Vernetzung

Entwurf und Vernetzung einer gesamten Pumpenstufe weniger als ½ Stunde

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Eintrittsdruck

Volumenstrom

Steady SimulationFrozen RotorTurbulence Model: SST

Simulation Setup Ziele• Schnelle Kennlinienbestimmung

• So viele Simulationen wie nötig, aber so wenig wie möglich

• Vergleich von zwei oder mehreren Entwürfen

• Förderhöhe• Wirkungsgrad• Kennlinienbreite

Ziel, Modell, Randbedingungen

Simulation Setup

Simulation

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PInlet = 0

Bestimmung von Randbedingungen

Simulationsstrategie

Randbedingungen für komplette KennlinieKennlinienabschätzung

Simulation

Volumenstrom (Austritts-RB)

Förd

erhö

he

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Kennlinie, Druckverteilung, Geschwindigkeiten

Ergebnisse

Post-Processing

0,00

40,00

80,00

120,00

160,00

200,00

800 1000 1200 1400 1600 1800

H [m

]

Volumenstrom [m3/h]

Auslegungspunkt um 10% verfehlt

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Optimierung

Entwurf Geometrie & Netz

SimulationPost-Processing

Entwurfsaufgabe

Erstentwurf:

Auswertung:Formulierung von Para-meter und Zielfunktion

für Optimierung

Kennlinienabschätzung:Abschätzung des Einfluss der Laufradvergrößerung aufgrund von ErfahrungssätzenZielfunktion:Förderhöhe im AuslegungspunktParameter: Laufradaußendurchmesser

d = 363 mm

d = 380 mm

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0,00

40,00

80,00

120,00

160,00

200,00

800 1000 1200 1400 1600 1800

H [m

]

Volumenstrom [m3/h]

Optimierung

ParameteränderungErstentwurf, Zielfunktion & Parameter

Simulation & Post-Processing

Auswertung:| Istgröße — Zielgröße | < ε ?

Geometrie & Netz mittels ICEM-Skripte

Normalerweise 3..5 Durchläufe

d = 363 mm

d = 380 mm

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► Parametrischer/halbautomatischer Entwurf von Turbomaschinen radialer und halbaxialer Bauart

► Stabiler Prozess der Kennlinienabschätzung

► Kompletter Prozess ist batchfähig

Rapid-Design-Prozess mit CFturbo® und ANSYS ®

Zusammenfassung