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

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


berblick

Konstruktion

Rotorgeometrie

Gehusegeometrie

Numerische Simulation

Vernetzung

Randbedingungen

Lsereinstellungen

Ergebnisse

Untersuchung des Steuerkanteneinflusses

berblickSchraubenverdichter [Allgemein]


berblickSchraubenverdichter [Typen]


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]


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]


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


Auswahl eines Betriebspunktes

Auswahl des Rotorprofils

SRM asymmetrische Rotoren

Zhnezahl-Kombination 4+6

Analytisch bestimmbar

Berechnung der Rotoren erfolgte nach Laurenz Rinder



Technische Daten der Rotoren



Berechnung der Rotorprofilkoordinaten fr eine Verzahnung nach L. Rinder

Quelle: L. Rinder, Schraubenverdichter, 1979

KonstruktionRotorgeometrie [Vorgehensweise]


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



Y [mm]

X [mm]







KonstruktionGehusegeometrie


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


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


HauptrotorgitterNebenrotorgitter

Statorgitter

VernetzungVernetzung der Rotoren mit TwinMesh


Vorgehensweise

CAD

1. Geometrie importieren

2. Randbedingungen

3. Interfaces erzeugen

4. Gittereigenschaften

5. Gitter erzeugen

6. Gitterqualitt prfen

7. Gitter exportieren



Vorgehensweise

CAD


2. Randbedingungen



5. Gitter erzeugen





Feine Vernetzung des

Spaltbereichs

[von 50 m]

Feine Vernetzung des

wandnahen Bereichs

[Wachstumsfaktor]



Elementstatistik

Strukturierte Vernetzung mit TwinMesh

Rotorgitter aus Hexaedern

Elementanzahl: 746.000

VernetzungVernetzung des Statorgitters mit ANSYS Meshing


Automatische Erstellung des Statorgitters mit ANSYS Meshing

Unstrukturiertes Gitter aus Tetraedern

Elementanzahl: 4.293.681

Feine Vernetzung der

Interface-Bereiche

VernetzungDas gesamte Strmungsvolumen


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


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


SimulationAuswertung & Ergebnisse


Die Simulation startet bei einer Hauptrotordrehzahl 12333 U/min

Nach fnf Umdrehungen stellt einen eingeschwungenen Zustand ein.

Nur dieser wird im Folgenden ausgewertet



Druck und Geschwindigkeitsverteilung



Massenstrom

Idealer Massenstrom = 0,20 kg/s

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

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



Kammerdruck-Diagramm: Unterkompression

SimulationUntersuchung des Steuerkanteneinflusses


Konstruktion von zwei weiteren Gehusevarianten mit unterschiedlichen Auslassffnungen [Steuerkanten]

Eingebautes

Volumenverhltnis2,2 2,7 3,0

Druckverhltnis 3,0 4,0 4,6



Massenstrme



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



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)



Vielen Dank fr die Aufmerksamkeit

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