Konstruktion und numerische Berechnung eines ... · Inhalt ANSYS Conference & 33th CADFEM Users'...

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M.Sc. Ahmed El Shorbagy Technische Universität Berlin Konstruktion und numerische Berechnung eines trockenlaufenden Schraubenverdichters mit TwinMesh und ANSYS CFX Dr. Andreas Spille-Kohoff Dipl.-Ing. Jan Hesse CFX Berlin Software GmbH

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  • M.Sc. Ahmed El Shorbagy

    Technische Universitt Berlin

    Konstruktion und numerische Berechnung eines

    trockenlaufenden Schraubenverdichters mit TwinMesh und

    ANSYS CFX

    Dr. Andreas Spille-Kohoff

    Dipl.-Ing. Jan Hesse

    CFX Berlin Software GmbH

  • Motivation

    ANSYS Conference & 33th CADFEM Users' Meeting 2015 2

    Masterarbeit bei der Firma CFX Berlin

    Ziel: Darstellung der Mglichkeiten zur Umsetzung der Simulationsaufgabe unter Verwendung von TwinMesh und ANSYS CFX

    Auslegung und Konstruktion eines trockenlaufenden Schraubenverdichters

    Durchfhrung numerischer Berechnung der Strmung in dem trockenlaufenden Schraubenverdichter

    Bewertung der Simulationsergebnisse

    Untersuchung des Steuerkanteneinflusses

  • Inhalt

    ANSYS Conference & 33th CADFEM Users' Meeting 2015 3

    berblick

    Konstruktion

    Rotorgeometrie

    Gehusegeometrie

    Numerische Simulation

    Vernetzung

    Randbedingungen

    Lsereinstellungen

    Ergebnisse

    Untersuchung des Steuerkanteneinflusses

  • berblickSchraubenverdichter [Allgemein]

    ANSYS Conference & 33th CADFEM Users' Meeting 2015 4

  • berblickSchraubenverdichter [Typen]

    ANSYS Conference & 33th CADFEM Users' Meeting 2015 5

    Quelle: http://kobelcocompressors.com/index.php/screw_compressors_design_and_construction/

    lfrei (Trockenlaufend) leingespritzt (Nasslaufend)

    Druckverhltnis zwischen 3 und 5 Druckverhltnis bis 16

  • berblickSchraubenverdichter [Baugre]

    ANSYS Conference & 33th CADFEM Users' Meeting 2015 6

    http://www.thehindubusinessline.

    com/2003/04/08/images/200304

    0802300201.jpg

    http://www.newtems.co.kr/products/img/img1_4.gif

    http://www.queenslandgasconference.com.au/__novaimages/223924?v=634782149530600000

  • berblickSchraubenverdichter [Anwendungen]

    ANSYS Conference & 33th CADFEM Users' Meeting 2015 7

    Textilindustrie, Chemieindustrie, Lebensmittelindustrie Pharmazeutische Industrie:

    Zur Bereitstellung von lfreien Prozessgase

    Stahl- und lindustrie: zur Bereitstellung von Druckluft fr pneumatische Systeme

    Klte- und Klimaindustrie: Zur Komprimierung des Khlsgases

    Automobilindustrie: Zur Aufladung von Verbrennungsmotoren

    http://www.technolab.org/img/

    products/hako/Hako1298.jpg

    http://upload.wikimedia.org/wikipedia/common

    s/7/73/1968_AMX_blown_and_tubbed_e.jpg

    http://202.67.224.132/pdimage/40/3750640_fotorentaljackhammer

    .jpg

  • KonstruktionRotorgeometrie

    ANSYS Conference & 33th CADFEM Users' Meeting 2015 8

    Auswahl eines Betriebspunktes

    Auswahl des Rotorprofils

    SRM asymmetrische Rotoren

    Zhnezahl-Kombination 4+6

    Analytisch bestimmbar

    Berechnung der Rotoren erfolgte nach Laurenz Rinder

  • KonstruktionRotorgeometrie

    ANSYS Conference & 33th CADFEM Users' Meeting 2015 9

    Technische Daten der Rotoren

  • KonstruktionRotorgeometrie

    ANSYS Conference & 33th CADFEM Users' Meeting 2015 10

    Berechnung der Rotorprofilkoordinaten fr eine Verzahnung nach L. Rinder

    Quelle: L. Rinder, Schraubenverdichter, 1979

  • KonstruktionRotorgeometrie [Vorgehensweise]

    ANSYS Conference & 33th CADFEM Users' Meeting 2015 11

    Erstellung der Rotorprofile fr eine einzige Verzahnung in Nullstellung (2D)

    Eingabe der Gleichungen in Excel

    Erstellung der kompletten Rotorprofile durch Drehoperationen in Nullstellung (2D)

    Drehoperationen um den jeweiligen Rotormittelpunkt des Haupt- und Nebenrotors

    Export der Rotorkoordinaten und Erstellung eines Flchenkrpers der Rotoren (3D)

    bernahme der Koordinaten der einzelnen Segmente in CAD

  • KonstruktionRotorgeometrie [Vorgehensweise]

    ANSYS Conference & 33th CADFEM Users' Meeting 2015 12

    Y [mm]

    X [mm]

    Erstellung der Rotorprofile fr eine einzige Verzahnung in Nullstellung (2D)

    Eingabe der Gleichungen in Excel

    Erstellung der kompletten Rotorprofile durch Drehoperationen in Nullstellung (2D)

    Drehoperationen um den jeweiligen Rotormittelpunkt des Haupt- und Nebenrotors

    Export der Rotorkoordinaten und Erstellung eines Flchenkrpers der Rotoren (3D)

    bernahme der Koordinaten der einzelnen Segmente in CAD

  • KonstruktionRotorgeometrie [Vorgehensweise]

    ANSYS Conference & 33th CADFEM Users' Meeting 2015 13

    Erstellung der Rotorprofile fr eine einzige Verzahnung in Nullstellung (2D)

    Eingabe der Gleichungen in Excel

    Erstellung der kompletten Rotorprofile durch Drehoperationen in Nullstellung (2D)

    Drehoperationen um den jeweiligen Rotormittelpunkt des Haupt- und Nebenrotors

    Export der Rotorkoordinaten und Erstellung eines Flchenkrpers der Rotoren (3D)

    bernahme der Koordinaten der einzelnen Segmente in CAD

  • KonstruktionGehusegeometrie

    ANSYS Conference & 33th CADFEM Users' Meeting 2015 14

    Komplette Gehusegeometrie

    Eine einfache Konstruktion mit Vernachlssigung der Herstellbarkeitsaspekte

    Vernachlssigung der Lager-, der Dichtungsausschnitte und des Axialspalts

    Die Saugseite

    Die Saugseite besteht aus einer einfachen radialen Einlassffnung

    Mit einem Ansaugkanal

  • KonstruktionGehusegeometrie

    ANSYS Conference & 33th CADFEM Users' Meeting 2015 15

    Druckseite fr Druckverhltnis von 3

    Komplexe Konstruktion mit Steuerkanten

    Die Druckseite besteht aus einer radialen und einer axialen ffnung

    Die Berechnung beider ffnungen erfolgte mit Hilfe der Volumenkurve eines Zahnpaares

    Das eingebaute Volumenverhltnis betrgt 2,2 bei einem Steuerkantenwinkel (bezogen auf den Hauptrotor) von -192

    Axiale ffnung Radiale ffnung

  • VernetzungAufteilung des Strmungsvolumens

    ANSYS Conference & 33th CADFEM Users' Meeting 2015 16

    HauptrotorgitterNebenrotorgitter

    Statorgitter

  • VernetzungVernetzung der Rotoren mit TwinMesh

    ANSYS Conference & 33th CADFEM Users' Meeting 2015 17

    Vorgehensweise

    CAD

    1. Geometrie importieren

    2. Randbedingungen

    3. Interfaces erzeugen

    4. Gittereigenschaften

    5. Gitter erzeugen

    6. Gitterqualitt prfen

    7. Gitter exportieren

  • VernetzungVernetzung der Rotoren mit TwinMesh

    ANSYS Conference & 33th CADFEM Users' Meeting 2015 18

    Vorgehensweise

    CAD

    1. Geometrie importieren

    2. Randbedingungen

    3. Interfaces erzeugen

    4. Gittereigenschaften

    5. Gitter erzeugen

    6. Gitterqualitt prfen

    7. Gitter exportieren

  • VernetzungVernetzung der Rotoren mit TwinMesh

    ANSYS Conference & 33th CADFEM Users' Meeting 2015 19

    Vorgehensweise

    CAD

    1. Geometrie importieren

    2. Randbedingungen

    3. Interfaces erzeugen

    4. Gittereigenschaften

    5. Gitter erzeugen

    6. Gitterqualitt prfen

    7. Gitter exportieren

  • VernetzungVernetzung der Rotoren mit TwinMesh

    ANSYS Conference & 33th CADFEM Users' Meeting 2015 20

    Feine Vernetzung des

    Spaltbereichs

    [von 50 m]

    Feine Vernetzung des

    wandnahen Bereichs

    [Wachstumsfaktor]

  • VernetzungVernetzung der Rotoren mit TwinMesh

    ANSYS Conference & 33th CADFEM Users' Meeting 2015 21

    Elementstatistik

    Strukturierte Vernetzung mit TwinMesh

    Rotorgitter aus Hexaedern

    Elementanzahl: 746.000

  • VernetzungVernetzung des Statorgitters mit ANSYS Meshing

    ANSYS Conference & 33th CADFEM Users' Meeting 2015 22

    Automatische Erstellung des Statorgitters mit ANSYS Meshing

    Unstrukturiertes Gitter aus Tetraedern

    Elementanzahl: 4.293.681

    Feine Vernetzung der

    Interface-Bereiche

  • VernetzungDas gesamte Strmungsvolumen

    ANSYS Conference & 33th CADFEM Users' Meeting 2015 23

    Elementstatistik des gesamten Strmungsvolumens

    Statorgitter

    4.293.681 Tetraeder

    779.919 Knoten

    Hauptrotorgitter

    335.000 Hexaeder

    358.785. Knoten

    Nebenrotorgitter

    411.000. Hexaeder

    440.181 Knoten

    Gesamtberechnungsmodel

    ~ 5,0 Mio. Elemente

    ~ 1,6 Mio. Knoten

  • SimulationRandbedingungen

    ANSYS Conference & 33th CADFEM Users' Meeting 2015 24

    Einlass

    Absolutdruck = 1 bar

    Temperatur = 25C

    Luft als Idealgas

    Auslass

    Absolutdruck = 3 bar

    Interface

    Interface zwischen Rotorgitter und Gehuse (GGI)

    Wnde

    Reibungsbehaftet, adiabat

    Rotoren

    Drehzahl (Haupt) = 12333 rev/min

    Drehzahl (Neben) = 8222 rev/min

    Gitterschrittweite = 1

  • SimulationLser-Einstellungen

    ANSYS Conference & 33th CADFEM Users' Meeting 2015 25

  • SimulationAuswertung & Ergebnisse

    ANSYS Conference & 33th CADFEM Users' Meeting 2015 26

    Die Simulation startet bei einer Hauptrotordrehzahl 12333 U/min

    Nach fnf Umdrehungen stellt einen eingeschwungenen Zustand ein.

    Nur dieser wird im Folgenden ausgewertet

  • SimulationAuswertung & Ergebnisse

    ANSYS Conference & 33th CADFEM Users' Meeting 2015 27

    Druck und Geschwindigkeitsverteilung

  • SimulationAuswertung & Ergebnisse

    ANSYS Conference & 33th CADFEM Users' Meeting 2015 28

    Massenstrom

    Idealer Massenstrom = 0,20 kg/s

    Mittlerer Massenstrom (Simulation) = 0,144 kg/s

    Die ausgestoene Masse bewegt sich mit Schallgeschwindigkeit zum Auslass (Verschiebung)

  • SimulationAuswertung & Ergebnisse

    ANSYS Conference & 33th CADFEM Users' Meeting 2015 29

    Kammerdruck-Diagramm: Unterkompression

  • SimulationUntersuchung des Steuerkanteneinflusses

    ANSYS Conference & 33th CADFEM Users' Meeting 2015 30

    Konstruktion von zwei weiteren Gehusevarianten mit unterschiedlichen Auslassffnungen [Steuerkanten]

    Eingebautes

    Volumenverhltnis2,2 2,7 3,0

    Druckverhltnis 3,0 4,0 4,6

  • SimulationUntersuchung des Steuerkanteneinflusses

    ANSYS Conference & 33th CADFEM Users' Meeting 2015 31

    Massenstrme

  • SimulationUntersuchung des Steuerkanteneinflusses

    ANSYS Conference & 33th CADFEM Users' Meeting 2015 32

    Vergleich der Kammerdrcke aller Gehusevarianten

  • 2.8 3 3.5

    15.7 16.418.618.5 19.4

    22.1

    0

    5

    10

    15

    20

    25

    1 2 3

    Dre

    hm

    om

    ent

    [Nm

    ]

    Mittlere Drehmomente

    Mittleres Drehmoment NR Mittleres Drehmoment HR Summe

    SimulationUntersuchung des Steuerkanteneinflusses

    ANSYS Conference & 33th CADFEM Users' Meeting 2015 33

    Auswertung

    Je kleiner die Auslassffnung, desto mehr Innendruck und weniger Massenstrom

    Dies fhrt zu mehr Widerstand beim Ausschieben des Gases Anstieg der Rotordrehmomente

    Dementsprechend ist hhere Wellenleistung notwendig

    0.144

    0.137

    0.131

    0.12

    0.125

    0.13

    0.135

    0.14

    0.145

    1 2 3

    Mas

    sen

    stro

    m [

    kg/s

    ]

    Mittlere Massenstrme

    Mittlere Massenstrme

    2.4 2.6 3

    20.3 21.224.122.7 23.8

    27.1

    0

    10

    20

    30

    1 2 3

    Wel

    len

    leis

    tun

    g [k

    W]

    Wellenleistung

    Wellenleistung NR Wellenleistung HR Summe

  • Fazit & Ausblick

    Fazit

    Eine vereinfachte Vorgehensweise fr die Auslegung eines Schraubenverdichters

    wurde vorgestellt

    Erfolgreicher Einsatz einer neuen Vernetzungsmethode mit TwinMesh

    Durchfhrung der numerischen Simulation und Auswertung der Ergebnisse

    Untersuchung des Steuerkanteneinflusses auf das Betriebsverhalten des

    Verdichters

    Ausblick

    Bercksichtigung der Axialspalte

    Betrachtung des Wrmebergangs in die Rotoren und das Gehuses

    Simulation eines leingespritzten Schraubenverdichters (Mehrphasensimulation)

    ANSYS Conference & 33th CADFEM Users' Meeting 2015 34

  • ANSYS Conference & 33th CADFEM Users' Meeting 2015 35

    Vielen Dank fr die Aufmerksamkeit