Untersuchung der Einflüsse verschiedener Spiralgehäuse-geometrien auf das Betriebsverhalten einer radialen Turbokompressorstufe

Inhalt des Untersuchungsberichts:

1. Aufgabenstellung und Ziele der Untersuchungen 2. Planung und Umsetzung der Zielvorgaben 3. Grundlagen der Spiralauslegung 4. Vorstellung der gewählten Spiralvarianten 5. Das Pre-Processing der Spiraluntersuchung 6. Diskussion der Ergebnisse

Druckverteilung am Spiraleintrittsumfang Geschwindigkeitsverteilung am Spiralumfang Volumenstrom über den Winkel φ Wirkungsgrade

1. Aufgabenstellung und Ziele der Untersuchungen

Zu den Aufgaben dieses Projektes gehörten folgende Punkte:

Die Untersuchung der Einflüsse verschiedener Spiralgehäusegeometrien Vergleich des Strömungsverhaltens bei verschiedenen Grundformen der

Spiralquerschnitte Vergleich des Strömungsverhaltens bei verschiedener Querschnittserweiterung Einfluss unterschiedlich modellierter Zungenbereiche

Die Ziele des Projektes sollten sein:

Das Erhalten eines Vergleichskatalogs für die Konstruktion einer optimalen Spiralgeometrie

Eine Aussage über Vor- und Nachteile der einzelnen Variationsparameter

2. Planung und Umsetzung der Zielvorgaben

Das Erreichen der Ziele soll mit den aufgelisteten Untersuchungskriterien vermittelt werden:

Druckverteilung über den Umfang am Spiraleintritt Geschwindigkeitsverteilung am Spiraleintrittsumfang Volumenstrom über den Umfangswinkel Wirkungsgrad von Stufe und Spirale Geschwindigkeitsprofil (Wirbelbildung, Lenkung der Strömung)

Randbedingungen für die Spiralensimulation

Aus einer Reihe von Möglichkeiten, eine Spiralverdichterstufe zu simulieren, wurde die nachfolgend dargestellte Radialverdichterstufe als Hauptuntersuchungsobjekt festgelegt.

Abbildung 1: Aufbau einer Radialverdichterstufe

Weitere Möglichkeiten eine Spirale zu simulieren sind:

Spirale alleine mit Vorgabe von Randbedingungen

Laufrad und Leitrad 3D vorgeschaltet

Nur Laufrad 3D vorgeschaltet

Als Vergleichsmöglichkeiten, die innerhalb dieses Projektes verfolgt werden sollten, sind folgende Variationsparameter beschlossen worden:

1. Erstellen einer Basisspirale und Querschnittsvarianten +/- 20% 2. Vergleich zwischen symmetrischen und asymmetrischen Spiralen gleicher

Querschnittsfläche 3. Vergleich der Spiralen bei Teil-, Nenn- und Überlast 4. Vergleich von asymmetrischen Spiralen gleicher Querschnittsfläche, aber

unterschiedlich starker Einwicklung 5. Vergleich geometrisch identischer Spiralen mit unterschiedlichen

Zungenbereichen

6. Vergleich von Spiralen mit unterschiedlicher Auslegung (reibungsfrei, reibungsbehaftet nach Eckert/Schnell und Whitfield)

Abbildung 2: Tabelle der Variationsparameter

3. Grundlagen der Spiralauslegung

Die Vorauslegung einer Spirale erfolgte wie in vielen Fällen reibungsfrei (z.B. nach Fister):

Das Ziel ist es, eine möglichst homogene Druckverteilung am Spiraleintrittsumfang zu erlangen.

Abbildung 3: Hauptabmessungen einer Spirale Aufgrund dieser Auslegung ergab sich der in Diagramm1 dargestellte Querschnittsverlauf.

Man erkennt den Verlauf des Radius der kreisrundenBasisspirale über den Umfangswinkel φ.

Diagramm 1: Radius der Kreis-

Diagramm 2: Querschnittsflächen-erläufe über den Umfangswinkel v

Diagramm 2 zeigt die Flächenverläufe der einzelnenSpiralquerschnitte über den Umfangswinkel, wenn manverschiedene andere Auslegungsverfahren zugrundelegt.

4. Vorstellung der gewählten Spiralvarianten

Nachfolgend kurz dreidimensional dargestellt einzelne untersuchte Geometrievarianten:

Abbildung 4: Beispiele von Geometrie-varianten als Volumenmodell

Abbildung 5: weitere Beispiele von Spiralgeometrieen

5. Das Pre - Processing der Spiraluntersuchung

Die Erstellung der in Abb. 6 dargestellten Geometrie wurde mit verschiedenen Software-Tools vollzogen.

Die Auslegung des Laufrades entstand dabei mit der eigenen Software Bladerunner. Die Laufradgeometrie wurde ebenfalls mit einer eigenen Software, DIME, entwickelt. Vernetzt wurde das Laufrad mit TurboGrid von ANSYS CFX.

Die Spiralen wurden vollständig durch eigene Software-Tools entwickelt, partitioniert und vernetzt.

Grund für diese Vorgehensweise ist der Wunsch, die Rechnungen mit einem Hexaedernetz zu gestalten.

Abbildung 6: Geometriemodell der Verdichterstufe

Abbildung 7: Rechennetz der Radialverdichterstufe

Der Aufbau der Spiralsimulation erfolgte unter CFX 5.7.

Die eingestellten Randbedingungen sind in der folgenden Tabelle dargestellt:

Abbildung 8: Randbedingungen der CFD-Simulation

Hier einmal kurz vorweggenommen ein Ergebnis der Untersuchungen:

6. Diskussion der Ergebnisse

Die Ergebnisse wurden wie oben schon erwähnt aufgrund unterschiedlicher Parameter verglichen.

Zum einen wurde als Kriterium die Druckverteilung am Spiraleintrittsumfang herangezogen.

Diese Untersuchung wurde in 3 Schritten durchgeführt:

Schritt 1:

Die Basisspirale(reibungsfrei, symmetrisch) ist als Basis für alle Vergleiche simuliert worden.

Abbildung 9: relativer Druck als Contour-Plot in einer Spiralenebene

Die Simulation ist im Nennlast-, im Teillast- und im Überlastbereich erfolgt.

In Diagramm 3 ist der Druckverlauf aller drei Bereiche über den Umfangswinkel dargestellt.

Diagramm 3: Druckverlauf über den Umfangswinkel

Schritt 2:

Ein Vergleich von Basisspirale (reibungsfrei, symmetrisch) mit den folgenden Spiralvarianten:

Flächenfaktor 1,2 Reibungsbehaftet nach Eckert/Schnell Reibungsbehaftet nach Whitfield

In den Diagrammen 4-6 sind die äquivalenten Druckverteilungen im Nennlast-, Teillast- und Überlastbereich abgebildet.

Diagramm 4: Druckverteilung der Basisspirale mit Skalierungsfaktor 1.2

Diagramm 5: Druckverteilungder Spirale mit Auslegungnach Eckert/Schnell

Diagramm 6: Druckverteilung der Spirale mit Auslegung nach Whitfield

Schritt 3 :

Einfluß der verschiedenen Querschnittsformen im Vergleich mit der Basisspirale.

Folgende Querschnittsformen sind herangezogen worden :

D-Profil Leicht verzerrtes asymetrisches Profil Rechteckprofil

Diagramm 7: Druckverteilung am Spiraleintritt über denUmfangswinkel

Ein weiteres Kriterium war Geschwindigkeitsverteilung am Spiraleintrittsdurchmesser.

Verglichen wurden hier die Basisspirale mit den Spiralvarianten:

"ausgebeulter" Diffusor (kein herausgeschnittener Zungenbereich) Spirale ausgelegt nach Whitfield

Alle drei Varianten wurden sowohl für Nenn- und Teillast als auch für Überlast simuliert.

Diagramm 8: Geschwindigkeitsverteilung über den Umfangswinkel bei der Basisspirale

Diagramm 9: Geschwindigkeitsverlauf ohne herausgeschnittene Zunge

Diagramm 10: Geschwindigkeitsverlauf bei der Auslegung nach Whitfield

Nach der Simulation konnte man folgende Hypothese aufstellen:

Die Laufradschaufeln besitzen einen großen Einfluss auf die Geschwindigkeitsverteilung.

Die Querschnittsgeometrie beeinflußt die Geschwindigkeitsverteilung gering. Die Zungengeometrie hat erhebliche Geschwindigkeitsänderungen zur Folge.

Das dritte Kriterium war der Vergleich des Volumenstroms über den Umfangswinkel φ.

Im nachfolgenden Bild sind die einzelnen senkrechten Auswerteebenen zur Ermittlung des Volumenstroms dargestellt.

Als Vergleichsspiralen sind die selben Spiralen wie im zweiten Kriterium der Geschwindigkeitsverteilung gewählt worden.

Basisspirale Spirale ohne herausgeschnittene Zunge Spirale nach Whitfield

Auch hier wurde wieder im Nennlast-, Teillast- und Überlastbereich simuliert.

Abbildung 10: Auswerteebenen innerhalb der Spiralen

Diagramm 11: Volumenstromverteilung der Basisspirale über den Umfangswinkel

Diagramm 12: Volumenstromverteilung der Spirale ohne herausgeschnittene Zunge

Diagramm 13: Volumenstromverteilung der Spirale nach Whitfield

Als viertes Bewertungskriterium ist der Wirkungsgrad gewählt worden.

Aus den Rechenergebnissen wurden die Wirkungsgrade für gleiche Massenströme durch Polynominterpolation berechnet.

Auch hier ist man wieder vom Nennlast-, Teillast- und Überlastbereich ausgegangen.

Abbildung 11: Einteilung der Werte zur Bestimmung derWirkungsgrade

Man kommt nach der Auswertung zu folgenden Schlüssen:

Die Wirkungsgrade von Lauf- und Leitrad sind bei gleichen Lastfällen für alle Spiralvarianten nahezu konstant.

Die Spirale beeinflusst nicht den Wirkungrad des LA/LE, aber den Wirkungsgrad der gesamten Stufe.

Die Werte der Spiralwirkungsgrade liegen generell über denen der LA/LE Wirkungsgrade.

Diagramm 14: Wirkungsgrade aller Spiralvarianten

Das letzte Kriterium ist das vorliegende Strömungsprofil der einzelnen Spiralen.

Abbildung 12: Geschwindigkeitsvektoren in ausgewähltenEbenen der Spirale

Abbildung 13: Geschwindigkeitsvektoren bei Nennlast im Zungenbereich

Abbildung 14: Geschwindigkeitsvektoren bei Teillast im Zungenbereich

Abbildung 15: Geschwindigkeitsvektoren bei Überlast im Zungenbereich

Zusammenfassung

Folgende Parameter haben einen positiven Effekt auf das Betriebsverhalten der Turbokompressorstufe im Auslegungspunkt:

o Asymmetrische Form o Vermeidung von kantigen Querschnitten o Verkleinerter Zungenbereich o Beachtung der Reibung