Bewertung des Pumpenwirkungsgrads mit 1D-Durchflussmodellierung

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Nutzung von Durchflussergebnissen zum Verständnis des hydraulischen Verhaltens bei unterschiedlichen Durchflussraten

Herausforderungen

Beim Entwurf von hydraulischen Turbomaschinen – wie Kreiselpumpen, Ventilatoren oder Wasserturbinen – muss eine Vielzahl von Eingangsvariablen ausgeglichen werden. Die Konstrukteure müssen Betriebsbedingungen wie Durchflussmenge, Drehzahl, Laufradgeometrie, Anzahl der Schaufeln und spezifische Energie (oder Förderhöhe) festlegen, die alle miteinander verbunden sind und die Leistung erheblich beeinflussen. Dieser komplexe Entwurfsbereich kann überwältigend sein, vor allem, wenn es darum geht, den hydraulischen Wirkungsgrad, die Leistungsaufnahme oder das Drehmoment zu optimieren und gleichzeitig Kavitation oder Leistungsabfall bei nicht auslegungsgemäßen Bedingungen zu vermeiden.

Selbst bei einem klar definierten Ziel, z. B. dem Erreichen einer bestimmten Förderhöhe oder Leistung, ist es nicht immer einfach festzustellen, ob die gewählte Kombination von Konstruktionsparametern optimal ist. Konstrukteure verlassen sich oft auf Erfahrungen oder empirische Formeln, die zwar nützlich sind, aber möglicherweise nicht das gesamte Bild erfassen – insbesondere bei neuartigen oder eingeschränkten Anwendungen. Diese Ungewissheit kann zu suboptimalen Konfigurationen führen, die nicht die gewünschte Leistung erbringen oder ein umfangreiches Redesign erfordern.

Technische Lösungen

Der Entwurf effizienter Turbomaschinen erfordert Werkzeuge, die sowohl schnell als auch zuverlässig sind, insbesondere in den frühen Phasen der Entwicklung. Vista TF (Throughflow), Teil der ANSYS Workbench-Suite, ist ein Stromlinien-Krümmungslöser, der für die Bewertung von radialen Schaufelreihen – wie sie in Kreiselpumpen, Radialverdichtern und Turbinen vorkommen – unter Verwendung eines Quasi-1D-Ansatzes entwickelt wurde.

Obwohl es nicht die volle Detailgenauigkeit von 3D-CFD bietet, ermöglicht Throughflow schnelle parametrische Studien von Laufradgeometrien und Betriebspunkten. Die vereinfachte, aber dennoch physikalisch fundierte Modellierung ermöglicht es Ingenieuren, eine breite Palette von Konfigurationen schnell zu bewerten und liefert sofortiges Feedback zu kritischen Leistungsindikatoren wie Förderhöhe, Drehmoment und Wirkungsgrad (sowohl in der Stufe als auch isentrop).

Zur Bewältigung der Herausforderungen bei der Navigation durch komplexe Designräume bietet Throughflow eine effiziente Möglichkeit zur Bewertung von Leistungstrends auf der Grundlage von 1D-Durchflussberechnungen. Durch die Variation von Parametern wie Massendurchfluss oder Schaufelgeometrie können Konstrukteure Einblicke in die Auswirkungen dieser Eingaben auf das hydraulische Verhalten gewinnen. Dies macht Throughflow zu einem ausgezeichneten Werkzeug für ein frühes Screening und eine iterative Verfeinerung, das den Ingenieuren hilft, teure 3D-CFD-Aufwendungen auf die vielversprechendsten Kandidaten zu konzentrieren.

Methoden

Der Einrichtungsprozess beginnt in der ANSYS Workbench-Umgebung mit dem Ziehen und Ablegen des Vista CPD-Moduls, das für die grundlegende Auslegung von Kreiselpumpen verwendet wird. Im ersten Schritt gibt der Benutzer den gewünschten Auslegungspunkt ein, einschließlich Eingaben wie Durchfluss, Förderhöhe, Drehzahl und Flüssigkeitseigenschaften. Auf der Grundlage dieser Bedingungen erstellt Vista CPD eine vorläufige Laufradgeometrie und schätzt die wichtigsten Leistungsparameter.

Ein einzigartiges Merkmal von Vista CPD ist, dass es Effizienz-Kurven in Abhängigkeit von der spezifischen Geschwindigkeit (Ωs) und die spezifische Durchmesserverhältnis (Q/N). Diese dimensionslosen Parameter verallgemeinern die Leistungsmerkmale des Laufrads:

• Ωs (spezifische Drehzahl): Dies ist ein dimensionsloser Parameter, der mit der Durchflussmenge (Q), der Drehzahl (w), und Kopf (H). Sie wird in der Regel bei der Pumpenkonstruktion verwendet, um den Laufradtyp zu klassifizieren und die Form und Leistung der Strömungskanäle vorherzusagen. In der Gleichung ist g die Schwerkraftbeschleunigung.
  
• Q/N (Durchflusskoeffizient): Er stellt das Verhältnis von Durchfluss zu Drehzahl dar und wird in diesem Zusammenhang zur Erstellung von Leistungskurven für verschiedene Strömungsregime verwendet. Dabei ist N die Drehzahl in U/s und D der Laufraddurchmesser. In Vista CPD wird dies als Q/N dargestellt.
  

Daher bietet Vista CPD theoretische Wirkungsgradkarten an, die auf dimensionslosen Koeffizienten wie dem Durchflusskoeffizienten und der spezifischen Drehzahl basieren. Diese Karten sind zwar als allgemeine Orientierungshilfe nützlich, beruhen aber auf empirischen Trends und sind nicht an eine bestimmte Geometrie gebunden. Um einen realen Laufradentwurf genauer zu bewerten, bietet Throughflow eine Quasi-1D-Analyse, die auf der tatsächlichen Schaufelgeometrie und den Eingangsbedingungen basiert. Dies ermöglicht eine zuverlässigere Bewertung von Leistungskennzahlen – wie Förderhöhe und Wirkungsgrad – über einen Bereich von Durchflussraten.

Ergebnisse

Im ersten Schritt des Prozesses werden die anfänglichen Entwurfseingaben in Vista CPD definiert, wie in der Abbildung unten dargestellt. Diese Eingaben umfassen die Betriebsbedingungen – insbesondere den Massendurchsatz – sowie die wichtigsten geometrischen Merkmale des Laufrads. Zu den wichtigsten Parametern gehören die Naben- und Deckbandkonturen, die Form und Positionierung der Vorder- und Hinterkanten, die Anzahl der Schaufeln und andere für den Grundentwurf des Laufrads kritische Abmessungen. Diese Konfiguration definiert einen einzigen Entwurfspunkt, der dann als Ausgangsgeometrie für die nachfolgende Leistungsbewertung verwendet wird.

Anschließend wird der Entwurf in ein neues Durchflussmodul übertragen, wo der Solver automatisch läuft und innerhalb weniger Minuten abgeschlossen ist. Sobald die Berechnung abgeschlossen ist, kann der Benutzer auf die Ergebniszelle zugreifen, um die wichtigsten Leistungsergebnisse zu visualisieren. In diesem Stadium werden Konturdiagramme verfügbar, die einen Einblick in das Strömungsverhalten durch die Laufradkanäle sowie in Variablen wie Geschwindigkeit, Druck und Schaufelbelastung geben.

Man beachte, dass die Kontur des Drucks mit Ausnahme des hervorgehobenen Bereichs eine allmähliche Verteilung erkennen lässt. Außerdem zeigt die Meridionalgeschwindigkeit (Cm) einen deutlichen Anstieg in der Nähe der Vorderkante, insbesondere in der Nähe der Nabe. Dies deutet darauf hin, dass sich die Strömung aufgrund der Einlassgeometrie oder der Rotationsgeschwindigkeit möglicherweise zusammenzieht und vorzeitig beschleunigt. Ein solches Muster deutet auf eine ungleichmäßige Verteilung der eintretenden Strömung hin.

Dieses Verhalten ist zwar nicht unbedingt problematisch, weist aber auf einen kritischen Bereich des Laufrads hin, in dem ein Ungleichgewicht der Strömung schließlich zu Ineffizienzen oder einer Strömungsablösung in einer vollständigen 3D-Simulation führen könnte. Die frühzeitige Identifizierung dieses Bereichs mithilfe von Throughflow liefert wertvolle Erkenntnisse für die Verfeinerung der Einlassgeometrie und die weitere parametrische Analyse. Daher können wir auch eine parametrische Analyse mit dem Massendurchsatz als Eingangsparameter und verschiedenen Wirkungsgraden als Ausgangsparameter durchführen.

• etap ss. Polytroper Wirkungsgrad der Stufe (statisch-statisch). Verwendet statische Drücke und Enthalpien am Einlass und Auslass zur Bewertung des thermodynamischen Wirkungsgrads der Stufe.
• etap ts. Polytroper Stufenwirkungsgrad (total-statisch). Berücksichtigt den Gesamtdruck am Einlass und den statischen Druck am Auslass; nützlich, wenn die kinetische Energie am Einlass erheblich ist.
• etap tt. Stufe des polytropen Wirkungsgrads (Gesamt-Total). Bewertet den Wirkungsgrad anhand der Gesamtdrücke am Einlass und am Auslass, wobei kinetische und potenzielle Energieeffekte erfasst werden.
• etas ss. Isentroper Wirkungsgrad der Stufe (statisch-statisch). Vergleicht die tatsächliche Enthalpieänderung mit der idealen isentropen Änderung unter statischen Bedingungen.
• etas ts. Stufenisentroper Wirkungsgrad (total-statisch). Verwendet totale Bedingungen am Einlass und statische am Auslass; geeignet für die Abschätzung der tatsächlichen Verluste in praktischen Systemen.
• etas tt. Isentroper Wirkungsgrad der Stufe (Gesamt-Total). Misst die Gesamtleistung unter der Annahme eines idealen isentropen Prozesses zwischen dem gesamten Einlass- und Auslasszustand.

Sehen Sie sich das vollständige Video-Walkthrough an, um zu erfahren, wie Sie das Modell einrichten und die Ergebnisse überprüfen können, um die Entwicklung von Pumpen in frühen Phasen zu beschleunigen und wichtige Leistungstrends zu erkennen.

Vorteile der Ansys-Lösung

Mit den fortschrittlichen Ansys-Lösungen zeigt die CFD-Modellierung ihr Potenzial zur Optimierung und Bewertung hydraulischer Strukturen. Für das Preprocessing erleichtern Ansys SpaceClaim und Discovery Modeling die CAD-Erstellung und -Vorbereitung, während Ansys Fluent und CFX verschiedene Simulationsherausforderungen bewältigen. Hochwertige Postprocessing-Tools wie Ansys Ensight ermöglichen die effektive Analyse und Visualisierung großer Datensätze.

Darüber hinaus können CFD-Ergebnisse mit Strukturanalysen in Fluid-Struktur-Interaktionsszenarien (FSI) integriert werden, die von Ansys Mechanical und LS-Dyna unterstützt werden. Techniken wie Design of Experiments (DOE) und fortgeschrittene Optimierung werden durch DesignXplorer und Ansys OptiSlang innerhalb der Workbench-Plattform erleichtert. Ansys bietet außerdem HPC-Lizenzen und GPU-Funktionen für die parallele Verarbeitung komplexer Modelle, um gründliche Auswertungen zu gewährleisten.

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