Erarbeitung einer neuen durch 3D-CFD-Berechnungsverfahren gestützten Methode zur Ermittlung des Abströmwinkels einer verwundenen Turbinen-Laufschaufel

Abstract

Das Programm Expander von MAN Turbo beinhaltet ein Verfahren zur Auslegung von Axialexpandern, die durch energiereiche, in der Prozessgasindustrie anfallende Gasgemische angetrieben werden. Diese Maschinen werden hauptsächlich zur Energierückgewinnung eingesetzt.<br />Expander wurde als weitere Entwicklung der in-house Auslegungssoftware speziell für den erfahrenen Benutzer konzipiert. Während die vorhandenen Auslegungstools dem Berechnungsingenieur immer mehr Entscheidungen abnehmen, soll dieses Programm dem Benutzer ein hohes Maß an Flexibilität ermöglichen.<br />Diese Arbeit behandelt die Modifikation der Implementierung der "V-Schaufel" in den Expander. Im Speziellen wird hier auf den Abströmwinkel der 3D-Schaufel Wert gelegt, da dieser bisher immer sehr große Abweichungen zu Vergleichsrechnungen aufgewiesen hat.<br />Der Abströmwinkel wird für definierte Profilschnitte bei unterschiedlichen Staffelungen, Machzahlen und Teilungen mittels Ansys CFX berechnet und in die Datenbank des Auslegungsprogramms eingetragen. Anschließend wird eine neue Routine zur Berechnung des auf den Eulerradius gemittelten Winkels entwickelt. Ob die genannte Vorgehensweise auch zum Erfolg geführt hat, zeigen Vergleichsrechnungen mit einer Testmaschine. Dafür wird die Maschine mit Expander ausgelegt, nachgerechnet und mit Ergebnissen von Ansys CFX und TBlock von John Denton verglichen.<br />

The software program Expander from MAN Turbo is a tool to rate axial expander, machines working with highly energized gas mixtures from process gas industry.<br />Basically expanders are used for energy recovery in industrial plants.<br />Expander is a further development of in-house design software and especially conceived for advanced users. This software offers a high degree of flexibility because common tools make many decisions which are out of the CAE engineers hands.<br />This master thesis covers the modification of the implementation of the "V-blade" in Expander. It will be focused on the outlet flow angle of this three-dimensional blade because of high deviations in former comparative calculations.<br />The outlet flow angle will be calculated with Ansys CFX for pre-defined profile sections at different stagger angles, Mach numbers and pitches. The results are implemented into the Expander database. Subsequently a new code for the calculation of the averaged outlet flow angle at the Eulerradius is developed.<br />Comparative calculations of a test machine will show, if the new procedure is successful. To manage this, the machine will be designed with Expander-design mode and recalculated with Expander-analysis mode, Ansys CFX and TBlock by John Denton.