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8. CFD Seminar “Power Generation”
Auslegung, Entwurf und Nachrechnung vonHochleistungs-Kreiselpumpen mittels CFturbo undAnsys CFX
Dr.-Ing. Oliver Velde CFturbo® Software & Engineering GmbH
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Inhalt
Intro 03
Beispiel 04
Entwurfsprozess und Vernetzung 06
Optimierung 14
Zusammenfassung 16
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Dimensionierung,Entwurf CFturbo®
NetzgenerierungICEM-CFD Tetra/Prism,
HEXA, TurboGrid, …
CADCatia, SolidWorks,UG-NX, ProE,…
ProduktionOptimierung:halbautomatisch
CFD/FEM SimulationANSYS-CFX, Fluent,…
MessungenRapid Prototyping,
Validation
Entwurfsprozess allgemein
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Beispiel Hochleistungs-Kreiselpumpe für Kühlkreislauf in einem Kraftwerk
Kühlwasserpumpe
Dieses Bild basiert auf dem Bild Kohlekraftwerk.svg aus der freienMediendatenbank Wikimedia Commons und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. Der Urheber des Bildes ist Kolossos.
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Volumenstrom = 1500 m3/h Förderhöhe = 140 mDrehzahl = 3.000 min-1
• Hauptabmessungen• Meridiankontur• Schaufelentwurf• Spiralenentwurf
Stage Design
Beispiel Hochleistungs-Kreiselpumpe für Kühlkreislauf in einem Kraftwerk
Pumpe soll optimal zur Anlage passen
Entwurfsaufgabe
Betriebspunkt
Ausgangspunkt
Anlagenkennlinie
Pumpenkennlinien (n = konst.)
Betriebspunkt
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Stoffdaten, Auslegungspunkt,
Parameter
Hauptabmessungen
Entwurfsprozess mit CFturbo: Laufradentwurf
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Trag- & DeckscheibeEin- & Austrittskante
Entwurfsprozess mit CFturbo: Laufradentwurf
Meridiankontur
SchaufelformGeschwindigkeits-
dreieckeEin- & Austrittwinkel
Schaufeleigenschaften
β2
Schaufelwinkel-verteilung
Umschlingungswinkel
Skelettlinien
DickenverteilungForm der Ein- & Austrittskante
Schaufelprofile
β1
Skelettlinien
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Kompletter Entwurf: Laufrad und
Spiralgehäuse
Stufe
Entwurfsprozess mit CFturbo: Spirale → Stufe
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Aufbereitung von Modell und Geometrie
Direkter Export nach ICEM CFD
Entwurfsprozess mit CFturbo: Pre-Processing
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Meshing Parameter Dialog
Vernetzung mit ICEM CFD
Automatisiertes, Skript-basierte VernetzungKomplettes Parametersetup in CFturbo
Entwurfsprozess mit CFturbo: Pre-Processing
Tetra Mesh mit Prism Layers
Vernetzung
Entwurf und Vernetzung einer gesamten Pumpenstufe weniger als ½ Stunde
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Eintrittsdruck
Volumenstrom
Steady SimulationFrozen RotorTurbulence Model: SST
Simulation Setup Ziele• Schnelle Kennlinienbestimmung
• So viele Simulationen wie nötig, aber so wenig wie möglich
• Vergleich von zwei oder mehreren Entwürfen
• Förderhöhe• Wirkungsgrad• Kennlinienbreite
Ziel, Modell, Randbedingungen
Simulation Setup
Simulation
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PInlet = 0
Bestimmung von Randbedingungen
Simulationsstrategie
Randbedingungen für komplette KennlinieKennlinienabschätzung
Simulation
Volumenstrom (Austritts-RB)
Förd
erhö
he
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Kennlinie, Druckverteilung, Geschwindigkeiten
Ergebnisse
Post-Processing
0,00
40,00
80,00
120,00
160,00
200,00
800 1000 1200 1400 1600 1800
H [m
]
Volumenstrom [m3/h]
Auslegungspunkt um 10% verfehlt
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Optimierung
Entwurf Geometrie & Netz
SimulationPost-Processing
Entwurfsaufgabe
Erstentwurf:
Auswertung:Formulierung von Para-meter und Zielfunktion
für Optimierung
Kennlinienabschätzung:Abschätzung des Einfluss der Laufradvergrößerung aufgrund von ErfahrungssätzenZielfunktion:Förderhöhe im AuslegungspunktParameter: Laufradaußendurchmesser
d = 363 mm
d = 380 mm
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0,00
40,00
80,00
120,00
160,00
200,00
800 1000 1200 1400 1600 1800
H [m
]
Volumenstrom [m3/h]
Optimierung
ParameteränderungErstentwurf, Zielfunktion & Parameter
Simulation & Post-Processing
Auswertung:| Istgröße — Zielgröße | < ε ?
Geometrie & Netz mittels ICEM-Skripte
Normalerweise 3..5 Durchläufe
d = 363 mm
d = 380 mm