Berechnungssoftware

Geometrie eines Radialkompressor-Laufrades optimieren

17.10.12 | Redakteur: Juliana Pfeiffer

Einstufiger Turbokompressor
Bildergalerie: 8 Bilder
Einstufiger Turbokompressor (Bild: Dynardo)

Wissenschaftler der Fachhochschule Dortmund haben die Geometrie eines Radialkompressorlaufrades mit automatiserten Methoden optimiert.

Der weltweit ständig steigende Energiebedarf und die gleichzeitig rapide abnehmenden Ressourcen haben das Thema Energieeffizienz - und damit die Optimierung - zu einer der wichtigsten Fragestellungen der Gegenwart gemacht. Bei der Energiewandlung ist in nahezu jedem Fall die Turbomaschinen einer der wichtigsten Teile der Prozesskette und somit Ansatzpunkt für Optimierungen. Werden diese mit modernen automatisierten Methoden durchgeführt, so lässt sich mit vergleichsweise kleinem Aufwand eine große Effizienzsteigerung erreichen.

Stabil ausgelegte Startgeometrie als Ausgangspunkt

Professor Dr.-Ing. Marius Geller und M. Eng. Dipl.-Ing. Christoph Schemmann von der Fachhochschule Dortmund haben in einer Arbeit die Geometrie eines hochbelasteten Radialkompressorlaufrades in Hinsicht auf die strömungsmechanische Effizienz unter Einhaltung der festigkeitsmechanischen Grenzen optimiert. Dabei nutzten sie für das Preprocessing, die CFD- und FEM-Berechnungen sowie die Auswertung der Simulationsergebnisse die Ansys Workbench. Die Sensitivitätsanalyse, das Metamodelling und die Optimierung führten die Wissenschaftler mit OptiSlang durch. Ausgangspunkt der Optimierung ist eine stabil ausgelegte Startgeometrie. Ausgehend von dieser wird das Laufrad bezüglich der CFD- und FEM-relevanten Aspekte optimiert. Die Möglichkeiten, Methoden und Ergebnisse dieser Optimierung werden gegenübergestellt und ausgewertet.

Das Laufrad eines Turbokompressors ist eine sowohl strömungs- als auch strukturmechanisch hochkomplexe Komponente. Bei der Auslegung und beim geometrischen Design gilt es daher, sowohl ein in Hinsicht auf die Strömungsmechanik effizientes Design zu finden als auch die durch die Strukturmechanik vorgegebenen Festigkeitsgrenzen einzuhalten. An der Fachhochschule Dortmund wurde ein einstufiger Radialkompressor ausgelegt, konstruiert und simuliert.

Spannungen im Laufrad unterhalb der maximal zulässigen Grenze

Mit Hilfe des im Design Modeler der Ansys Workbench integrierten Blade Editors wird der Fluidsektor des Radialkompressors generiert. Aufbauend auf der Schaufelkontur wird ein Sektorschneidteil für die Solidkonstruktion erstellt. Der Ansys TurboGrid, einem Hexaeder-Vernetzer für Turbomaschinensimulationen, vernetzt den Fluidsektor und erstellt in CFX Pre ein CFD-Setup zur Strömungssimulation. Die numerisch aufwendigen Strömungssimulationen sind parallelisiert auf dem Rechen-Cluster LiDOng der TU Dortmund aufgesetzt worden. Die Vernetzung der Solidkonstruktion haben die Forscher mit dem standardimplementierten Meshing-Tool der Ansys Workbench vorgenommen.

Mit dem gesamten Optimierungsprozess sollten die Spannungen im Laufrad unterhalb der maximal zulässigen Spannungsgrenze von 600 MPa bleiben. Zudem sollte der Wirkungsgrad der Stufe maximiert werden und der Kompressor ein Druckverhältnis von mindestens zwei erreichen.

Die für die Optimierung erforderliche Startgeometrie ist nach strömungsmechanischen Aspekten mit einer konventionellen Auslegungssoftware nach der eindimensionalen Stromfadentheorie berechnet worden. Dieser Schritt ist vorab vor Beginn des eigentlichen Optimierungsprozesses durchgeführt worden. Das mit einer Drehzahl von 20.000 U/min rotierende Laufrad hat nach einer CFD-Simulation ein effektives Druckverhältnis von geringfügig mehr als zwei. Als Stufenwirkungsgrad ist ein Wert von 87 % ermittelt worden. Eine Strukturanalyse der Laufradgeometrie hat für die Vergleichsspannungen einen Wert weit oberhalb der zulässigen Maximalspannung ergeben. Sie befinden sich im Filletbereich in der Nähe des Laufradaustritts. Die berechneten Spannungen disqualifizieren die nach strömungsmechanischen Aspekten akzeptable Laufradgeometrie als ungeeignet. Somit ist eine Optimierung unumgänglich.

Inhalt des Artikels:

»1 »2 nächste Seite

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 35333000) | Fotos: Dynardo