CFD-Simulation eines Schraubenverdichters mit Leckageströmungen und Rotorerwärmung

Vom 7. bis 9. September 2015 fand die International Conference on Compressors and their Systems im Mermaid Conference & Events Centre in London, UK, statt, organisiert von der City University London. Wir von CFX Berlin waren auf dieser renommierten Konferenz zum ersten Mal mit einem eigenen Messestand vertreten. Und natürlich hatten wir auch die Gelegenheit, einige aktuelle Arbeiten zur CFD-Analyse von Schraubenverdichtern im Rahmen des Short-Kurses vor der Konferenz sowie auf der Konferenz selbst zu präsentieren.

Wir werden oft nach Beispielen für Simulationen in der realen Welt gefragt. Leider ist das meiste unserer Arbeit "streng geheim" und wir können nicht darüber sprechen. Daher dachten wir, dass dieser neue CFX Berlin Blog eine perfekte Plattform ist, um einige frei verfügbare und hilfreiche Materialien aus der Konferenzvorbereitung zu veröffentlichen. Das erste Beispiel ist die Arbeit über die CFD-Simulation eines Schraubenkompressors einschließlich Leckageströmungen und Rotorerwärmung, eine Arbeit, die von meinen Kollegen Andreas Spille-Kohoff und Ahmed El-Shorbagy durchgeführt wurde.

Paper Abstract

CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics) haben das vielversprechende Potenzial, ein wichtiger Bestandteil des Entwicklungsprozesses von Verdrängermaschinen wie Doppelschraubenverdichtern und Expandern zu werden. CFD liefert tiefe Einblicke in das Strömungs- und thermodynamische Verhalten von PD-Maschinen. Allerdings ist die numerische Simulation solcher Maschinen im Vergleich zu dynamischen Pumpen wie Turbinen oder Ventilatoren komplexer. Der Fluidtransport in den sich in der Größe verändernden Kammern mit sehr kleinen Abständen zwischen den Rotoren und zwischen Rotoren und Gehäuse erfordert komplexe Netze, die sich mit jedem Zeitschritt ändern. Darüber hinaus erfordern die Verluste aufgrund von Leckströmen und die Wärmeübertragung auf die Rotoren qualitativ hochwertige Netze, so dass eine automatische Neuvernetzung fast unmöglich ist.

In unserem Konferenzbeitrag werden Aufbau und Ergebnisse für die Simulation eines trockenenlaufenden Schraubenkompressors gezeigt. Die rotierenden Teile werden mit TwinMesh vernetzt, einem speziellen Vernetzungsprogramm zur automatischen Erzeugung von hecaedergittern der Arbeitskammern von Zahnradpumpen, Gerotorpumpen, Drehkolbenpumpen, Scroll- und Schraubenverdichtern. TwinMesh erzeugt dabei auch Rechengitter für axiale und radiale Abstände zwischen Gehäuse und Rotorensowie für  Rotorfestkörper.

Die CFD-Simulation des Schraubenverdichters berücksichtigt die Gasströmung mit Kompressibilitäts- und Turbulenzeffekten, die Wärmeübertragung zwischen Gas und Rotoren sowie Leckageströme durch die Zwischenräume. Wir zeigen zeitaufgelöste Ergebnisse für Drehmomente, Kräfte, Interlobe-Druck, Massenstrom und Wärmestrom zwischen Gas und Rotoren sowie zeit- und ortsaufgelöste Ergebnisse für Druck, Geschwindigkeit, Temperatur usw. für verschiedene Auslassöffnungen und Arbeitspunkte des Schraubenverdichters. Diese Ergebnisse werden auch als thermische Lasten für Verformungssimulationen der Rotoren verwendet.
Wenn Sie das vollständige Paper lesen möchten, können Sie es über die IOP Conference Series finden. Für alle, die sich lieber die komplette Konferenz-Präsentation ansehen möchten, steht diese über den folgenden Download-Button hier zur Verfügung.

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