CFX Berlin - Turbomaschinen

Turbomaschinen

Mit dem in ANSYS CFD enthaltenen CFX-Löser bietet ANSYS eine umfassende Lösung zur Berechnung von Turbomaschinen axialer, radialer und diagonaler Bauart. Ergänzt um angepasste Werkzeuge zur Geometrieerstellung und Vernetzung ermöglicht es der ANSYS CFX-Löser, die Leistungsdaten einer Turbomaschine schnell und sicher zu prognostizieren. Dies schließt die Berechnung instabiler Betriebszustände (Rotating Stall, Schluckgrenze) sowie die Berücksichtigung von Realgaseigenschaften und dynamischen Effekten (Schaufelschwingungen) mit ein. Für Entwurf, Berechnung und Optimierung von Turbomaschinen steht in ANSYS CFD somit eine durchgängige Entwicklungsumgebung, bestehend aus speziell aufeinander abgestimmten Programmen bereit.

Workflow für Simulationsprojekt einer gekühlten Turbinenschaufel
Bild Strömung Verdichterlaufrad
Strömungsvisualisierung für ein Verdichterlaufrad
Bild Stromlinien Synthesegasverdichter
Stromlinienverteilung im Laufrad eines Synthesegasverdichters
ANSYS CFX-Pre: Darstellung der gesetzten Randbedingungen für ein Simulationsmodell
Bild Rotor Windkraftanlage
Visualisierung der Geschwindigkeiten an einem Rotoblatt
Bild Radialverdichter
Bild Rechengitter Radialverdichter
strukturiertes Rechengitter für einen Radialverdichter, erstellt mit ANSYS TurboGrid
Bild Geometrie Radialverdichter
Radialverdichtergeometrie im ANSYS BladeModeler
Radialverdichter Frequenzspektrum Teillast
Fourieranalyse des Drehmomentenverlaufs einer Radialmaschine im Teillastbereich
Bild Radialverdichter
Strömungsvisualisierung für einen Radialverdichter
Bild: Metamodell für einen Radialventilator
Darstellung des Metamodells für einen Radialventilator
Laufrad Kreiselpumpe
Stromlinienvisualisierung für ein Kreiselpumpenlaufrad
CCDv145 Velocity Meridional Projection Blade
In die Meridionalebene projiziertes Geschwindigkeitsfeld eines Radialverdichters
CCDv145 Velocity Meridional Projection
In die Meridionalebene projiziertes Geschwindigkeitsfeld eines Radialverdichters
Bild: Schaufeldesign mit ANSYS BladeModeler
ANSYS BladeModeler ist eine Spezialsoftware für das Design von beschaufelten Geometrien
Bild: Screenshot ANSYS BladeModeler
automatisiert und parametrisch: Erzeugung von Laufradgeometrien im ANSYS BladeModeler
Screenshot TurboWorkflow Vista AFD
Typischer Ablauf einer Axialmaschinenauslegung in der ANSYS Workbench
Screenshot TurboGrid2
ANSYS TurboGrid - der automatisierte Vernetzer für beschaufelte, rotationsperiodische Strömungsvolumen
Screenshot TurboGrid
ANSYS TurboGrid - der automatisierte Vernetzer für beschaufelte, rotationsperiodische Strömungsvolumen
Oberflächenstromlinien Axialfan
Oberflächenstromlinien zeigen eine Ablösung auf der Nabe einer Axialmaschine
Screenshot Vista AFD
Auslegung einer Axialmaschine mit ANSYS Vista AFD
Screenshot ANSYS BladeGen2
Erstellung parametrisierter Turbomaschinenmodelle mit ANSYS BladeGen
Screenshot ANSYS BladeGen1
Erstellung parametrisierter Turbomaschinenmodelle mit ANSYS BladeGen
ANSYS TurboGrid bietet auch eine Gittertopologie für neue Topologie für Laufräder mit doppelten Teilschaufeln
Der ANSYS BladeModeler übersetzt importierte CAD-Informationen in ein parametrisches Modell
Simulation eines Synthesegasverdichters im Forschungsprojekt zu innovativen Turbomaschinen.
Bild Kennlinie Kühlmittelpumpe
Treffsichere Auslegung: Vergleich von Messung und Simulation für zwei Kühlmittelpumpen-Designs
Foto Kühlmittelpumpe der Firma BOSCH
Kühlmittelpumpe der Firma BOSCH
Bild Druckverteilung Pumpengehaäuse Kühlmittelpumpe
Druckverteilung im Pumpengehäuse einer Kühlmittelpumpe der Firma BOSCH
Bild: Druckverteilung auf dem 5-fluegeligen Rotor einer Kühlmittelpumpe
Simulation einer Kühlmittelpumpe: Darstellung der Druckverteilung auf dem 5-flügeligen Rotor
Bild Druckverteilung Trommelläufer
Detailansicht Druckverteilung in einem Trommelläufer-Gebläse
Bild Trommelläufer
Darstellung der Geschwindigkeitsverteilung in einem Trommelläufer-Gebläse
Video Softwaredemo ANSYS CFD am Beispiel der Profilumströmung für ein NACA4415-Profil
Video: Workflow der Simulation einer Profilumströmung mit ANSYS CFD
Bild: Videovorschau Demo Radialverdichter
Video: Workflow zur Auslegung & Berechnung eines Radialverdichters

Geometrieerstellung

ANSYS BladeModeler/BladeEditor

Der ANSYS BladeModeler und der ANSYS BladeEditor sind speziell für den parametrisierten Entwurf und die Optimierung beschaufelter, rotationsperiodischer Strömungsgeometrien entwickelt worden. Diese Werkzeuge erlauben es, Laufräder, Leiteinrichtungen und die zugehörigen Strömungsvolumen für Axial-, Diagonal- und Radialmaschinen in kürzester Zeit auf Grundlage einer Meridiankontur und des Schaufelwinkelverlaufs zu entwerfen. Die Integration in die ANSYS Workbench ermöglicht die automatisierte Vernetzung der entworfenen Geometriemodelle für eine anschließende strömungsmechanische und strukturmechanische Berechnung.

Bild: Schaufeldesign mit ANSYS BladeModeler
ANSYS BladeModeler ist eine Spezialsoftware für das Design von beschaufelten Geometrien

Nach oben

Vernetzung

ANSYS TurboGrid

ANSYS TurboGrid ist der automatisierte Vernetzer für beschaufelte, rotationsperiodische Strömungsvolumen (Schaufelkanäle). Dieser Vernetzer erzeugt automatisiert qualitativ hochwertige Hexadernetze für Axial-, Diagonal- und Radialmaschinen unter Berücksichtigung von Radialspalten sowie Verrundungen an Naben und Deckbändern. Die Integration in die ANSYS Workbench ermöglicht eine enge Anbindung an ANSYS BladeModeler/BladeEditor und damit eine effiziente Vernetzung im Rahmen von Sensitivitätsstudien und Optimierungen.

Screenshot TurboGrid
ANSYS TurboGrid - der automatisierte Vernetzer für beschaufelte, rotationsperiodische Strömungsvolumen

Nach oben

Rotor-Stator-Interaktion

ANSYS CFD wird seit über 20 Jahren zur Analyse und Optimierung von Turbomaschinen eingesetzt. Insbesondere der ANSYS CFX-Löser ist marktführend auf diesem Gebiet. Ausgereifte und effiziente Algorithmen zur Modellierung von Rotor-Stator-Wechselwirkungen stehen zur Verfügung. ANSYS CFD bietet dabei die Möglichkeit, sowohl stationäre als auch instationäre Betriebszustände unter Berücksichtigung inkompressibler und kompressibler Medien zu berechnen. Für die Auslegung und Optimierung von ein- und mehrstufigen Pumpen, Verdichtern, Turbinen sowie Propellern und Ventilatoren wird ANSYS CFD erfolgreich eingesetzt.

Bild GGI Gearpump
Zeitlich veränderliches GGI-Interface zur Simulation der Strömung in einer Zahnradpumpe.
Laufrad Kreiselpumpe
Stromlinienvisualisierung für ein Kreiselpumpenlaufrad
Bild: Metamodell für einen Radialventilator
Darstellung des Metamodells für einen Radialventilator
Bild Rotor Windkraftanlage
Visualisierung der Geschwindigkeiten an einem Rotoblatt
Screenshot Chart in TurboPost
Quantitative Auswertung am Schaufelprofil einer Axialmaschine mit TurboPost
Screenshot TurboGrid
ANSYS TurboGrid - der automatisierte Vernetzer für beschaufelte, rotationsperiodische Strömungsvolumen
Screenshot TurboGrid2
ANSYS TurboGrid - der automatisierte Vernetzer für beschaufelte, rotationsperiodische Strömungsvolumen
Screenshot TurboWorkflow Vista AFD
Typischer Ablauf einer Axialmaschinenauslegung in der ANSYS Workbench
Screenshot Vista AFD
Auslegung einer Axialmaschine mit ANSYS Vista AFD
Bild Stromlinien Synthesegasverdichter
Stromlinienverteilung im Laufrad eines Synthesegasverdichters
Bild Strömung Verdichterlaufrad
Strömungsvisualisierung für ein Verdichterlaufrad
Workflow für Simulationsprojekt einer gekühlten Turbinenschaufel

Stationäre Betriebszustände

Zur exakten Berechnung stationärer Betriebszustände bietet die ANSYS CFD-Software zwei außerordentlich effiziente stationäre Modelle zur Abbildung von Rotor-Stator-Wechselwirkungen. Bei dem "Multiple Frame of Reference"-Modell (MFR) werden die verschiedenen Komponenten in ihrem jeweiligen Referenzsystem betrachtet, so dass die Strömung in den einzelnen Komponenten als stationär angesehen werden kann. Die Referenzsysteme werden dann über das Frozen-Rotor- oder das Stage-Interface miteinander gekoppelt:

  • Beim Stage-Interface werden alle Flüsse und Variablen in Umfangsrichtung gemittelt, während die radiale Verteilung erhalten bleibt. Typische Anwendungsgebiete des Stage-Interfaces sind Rotor-Stator-Wechselwirkungen zwischen den Stufen einer Turbomaschine.
  • Die Frozen-Rotor-Methode ist ebenfalls ein stationäres Modell. Im Gegensatz zum Stage-Interface findet hier aber keine Umfangsmittelung der Strömungsgrößen statt, sondern nur ein Wechsel in das jeweilige Bezugssystem. Das Frozen-Rotor-Interface kommt dann zum Einsatz, wenn die Variation der Strömung in Umfangsrichtung sehr stark ist. Beispiele dafür sind Rührkessel mit Strombrechern.

Der Vorteil der stationären Modelle liegt vor allem in der hohen Ersparnis an Rechenzeit, da die Periodizität der Geometrie in Umfangsrichtung ausgenutzt werden kann. Selbst Maschinen mit hoher Schaufelanzahl können so innerhalb weniger Stunden sehr genau berechnet werden. Die Annahme einer stationären Strömung ist jedoch im Allgemeinen nur für eine geringe Blattbelastung und in der Nähe des Auslegungspunktes gültig.

Oberflächenstromlinien Axialfan
Oberflächenstromlinien zeigen eine Ablösung auf der Nabe einer Axialmaschine
CCDv145 Velocity Meridional Projection Blade
In die Meridionalebene projiziertes Geschwindigkeitsfeld eines Radialverdichters

Transiente Betriebszustände

Bei der transienten Berechnung werden die tatsächlichen zeitabhängigen Wechselwirkungen zwischen den stehenden und rotierenden Komponenten erfasst. Vorteil der transienten Berechnung ist, dass transiente Betriebszustände im Teil- und Überlastbereich (beispielsweise Rotating Stall) zeitlich aufgelöst dargestellt werden. Damit ist es möglich, die Schwingungsanregung der Schaufeln aufgrund der Strömung zu ermitteln.

Um im Teil- oder Überlastbereich von mehrstufigen Turbomaschinen effiziente transiente Berechnungen zu ermöglichen, bietet ANSYS CFD Modelle zur transienten Berechnung einzelner Schaufelkanäle aufeinanderfolgender Stufen. Der Vorteil in der Betrachtung eines einzelnen Schaufelkanals pro Stufe liegt in der um Größenordnungen verringerten Berechnungszeit im Verlgeich zur Berechnung des gesamten Schaufelkranzes. Allerdings muss hierbei die im Allgemeinen ungleiche Teilung aufeinanderfolgender Stufen berücksichtigt werden. Hierzu bietet ANSYS CFD zwei effiziente und exakte Modelle:

  • Zeittransformation: Das Time-Transformation-Modell löst das Problem ungleicher Teilung zwischen zwei Turbomaschinen-Stufen durch Zeittransformation der Strömungsgleichungen. Diese Herangehensweise eignet sich für Komponenten mit einem Teilungsverhältnis nahe 1.
  • Fouriertransformation: Das Fourier-Transformation-Modell verwendet phasenverschobene Randbedingungen zur Erhaltung der Periodizität. Für dieses Modell gelten keine Beschränkungen hinsichtlich des Teilungsverhältnisses und es ist sowohl für kompressible als auch inkompressible Strömungen geeignet.

Des Weiteren besteht auch die Möglichkeit, transiente Berechnungen mehrstufiger Turbomaschinen unter Berücksichtigung ganzer Schaufelkränze durchzuführen. Bei der Berechnung von Radialverdichtern ist dies aufgrund der nicht periodischen Zu- und Abströmbedingungen zumeist erforderlich. Aufgrund der resultierenden Modellgröße empfiehlt sich hier der Einsatz von Multiprozessor-Systemen zur Parallelisierung der Berechnung.

Radialverdichter Frequenzspektrum Teillast
Fourieranalyse des Drehmomentenverlaufs einer Radialmaschine im Teillastbereich

Nach oben

Auswertung

ANSYS CFD-Post bietet spezielle Funktionen zur Auswertung der Strömungsberechnung von Turbomaschinen. Die Auswertung der Ergebnisgrößen (Druck, Temperatur, Geschwindigkeit) kann dabei im kartesischen, in zylindrischen und im krummlinigen Koordinatensystemen des Schaufelgitters erfolgen. Eine Visualisierung der Ergebnisse ist im Axialschnitt, im abgewickelten Schaufelgitter und umfangsgemittelt im Meridianschnitt möglich. Auswertevorlagen für Pumpen, Verdichter und Turbinen axialer sowie diagonaler und radialer Bauart sind in ANSYS CFD-Post bereits enthalten. Diese Vorlagen führen sowohl eine qualitative als auch eine quantitative Auswertung durch

Qualitative Auswertung enthält die Visualisierung in charakteristischen Schnitten (Schaufelgitter, Meridianschnitt, Axialschnitt) sowie Diagramme des Druckaufbaus entlang des Schaufelgitters, der Schaufelbeladung auf Saug- und Druckseite, sowie der Strömungswinkel an der Schaufelvorder- und hinterkante über die Schaufelhöhe.

Quantitative Auswertung umfasst die Leistungsdaten (Wellen-/Fluidleistung, Temperatur-/Druckverhältnis) und charakteristischen Kennzahlen der Stufe (Lieferzahl, Reaktionsgrad, Wirkungsgrad).

Screenshot CFD-Post Turbo Blade2Blade
Der Turbo-Modus in ANSYS CFD-Post: Darstellung des Schaufelgitters (abgewickelt auf konstantem Span)
Screenshot CFD-Post Turbo Const Span
Der Turbo-Modus in ANSYS CFD-Post: Darstellung auf konstantem Span
Screenshot CFD-Post Turbo Meridional
Der Turbo-Modus in ANSYS CFD-Post: Darstellung im Meridianschnitt (umfangsgemittelte Darstellung)
Screenshot Chart in TurboPost
Quantitative Auswertung am Schaufelprofil einer Axialmaschine mit TurboPost

Nach oben