Untersuchung der Einflüsse verschiedener Spiralgehäuse

Untersuchung der Einflüsse verschiedener Spiralgehäusegeometrien auf das Betriebsverhalten einer radialen
Turbokompressorstufe
Inhalt des Untersuchungsberichts:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Aufgabenstellung und Ziele der Untersuchungen
Planung und Umsetzung der Zielvorgaben
Grundlagen der Spiralauslegung
Vorstellung der gewählten Spiralvarianten
Das Pre-Processing der Spiraluntersuchung
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
reibungsbehaftet nach Eckert/Schnell und Whitfield)
Abbildung 2: Tabelle der Variationsparameter
(reibungsfrei,
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 Diagramm
1 dargestellte Querschnittsverlauf.
Man erkennt den Verlauf des Radius der kreisrunden
Basisspirale über den Umfangswinkel φ.
Diagramm 1: Radius der KreisDiagramm 2 zeigt die Flächenverläufe der einzelnen
Spiralquerschnitte über den Umfangswinkel, wenn man
verschiedene andere Auslegungsverfahren zugrunde
legt.
Diagramm 2: Querschnittsflächenverläufe über den Umfangswinkel
4. Vorstellung der gewählten Spiralvarianten
Nachfolgend kurz dreidimensional dargestellt einzelne untersuchte Geometrievarianten:
Abbildung 4: Beispiele von Geometrievarianten 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: Druckverteilung
der Spirale mit Auslegung
nach 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 den
Umfangswinkel
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
Geschwindigkeitsverteilung gewählt worden.



Spiralen
wie
im
zweiten
Basisspirale
Spirale ohne herausgeschnittene Zunge
Spirale nach Whitfield
Auch hier wurde wieder im Nennlast-, Teillast- und Überlastbereich simuliert.
Abbildung 10: Auswerteebenen innerhalb der Spiralen
Kriterium
der
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 der
Wirkungsgrade
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 ausgewählten
Ebenen 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
o
o
o
Asymmetrische Form
Vermeidung von kantigen Querschnitten
Verkleinerter Zungenbereich
Beachtung der Reibung

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