Engineering-Workflow Scroll-Kompressoren mit automatisierter Simulation entwickeln

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Das österreichische Technologieunternehmen Obrist und der Simulationsspezialist Cadfem haben einen auf der Software Ansys basierenden Engineering-Workflow für Scroll-Kompressoren entwickelt. Durch ihn werden Zeitfresser und Kompromisse, die bislang in Kauf genommen werden mussten, dank Automatisierung überwunden.

Obrist Engineering beschäftigt sich seit über 25 Jahren mit der Entwicklung von Systemen in den Bereichen Antriebsstrang, Thermomanagement und Wärmerückgewinnung. Ein Schwerpunkt sind Scroll-Kompressoren, die vor allem in Klimaanlagen von Autos eingesetzt werden. Ihre Hauptvorteile im Vergleich zu anderen Kompressormaschinen sind ihr hoher Wirkungsgrad bei einem geringen Geräuschpegel. Deshalb eignen sie sich besonders gut für Elektroautos.

Das Grundprinzip des Scroll-Kompressors basiert auf zwei Spiralelementen, die ineinander verschachtelt sind. Das eine Element ist starr positioniert, das andere bewegt sich in exzentrischen Bahnen, mit mehreren Kontaktpunkten zwischen den Spiralen. So entsteht eine Verdrängermaschine mit mehreren rotierenden Kammern, die mit jeder Umdrehung kleiner werden. Das angesaugte Prozessgas wird in den Spiralgängen je nach Anwendung von 100 mbar bis 100 bar hoch verdichtet und in der Mitte der Spiralen ausgestoßen. Dabei arbeiten die Scroll-Kompressoren mit 500 bis 11.000 Umdrehungen pro Minute, das zu komprimierende Volumen beträgt 4 bis 200 Kubikzentimeter pro Umdrehung.

Mechanische und thermische Belastungen

Verdichter bleiben nur wettbewerbsfähig, wenn sie permanent verbessert werden. Der Weg zur Optimierung des Wirkungsgrades und zur Analyse der Effekte des Verdichtungsprozesses auf einzelne Komponenten führt auch über die genaue Betrachtung der mechanischen Belastung. Hinzu kommt die thermische Belastung durch die Eigenerwärmung, wobei die resultierende Gastemperatur beziehungsweise der Druck sowohl örtlich im Verdichtungsraum als auch zeitlich je nach Drehwinkel stark variieren. Um die Bauteilauslegung optimieren zu können, ist es wichtig, dass diese Belastungen und die daraus resultierenden Verformungen und Spannungen der am Verdichtungsprozess beteiligten Bauteile im Voraus und mit hoher Genauigkeit bekannt sind.

Scroll-Kompressoren entwickeln: Automatisierung des Simulationsprozesses

Simulationen entfalten immer dann ihr gesamtes Potenzial, wenn Vorgänge besonders komplex und Messungen am Versuchsstand sehr aufwändig sind. Beides war in diesem Fall zutreffend. Nachdem sich ein händischer Simulationsprozess als ineffizient entpuppt hatte, wurde Cadfem mit an Bord geholt. Ziel: Die Automatisierung des Ansys-Simulationsprozesses für die Scroll-Kompressoren. Mit dem Ansys Application Customization Toolkit (ACT) wurden zum einen die manuellen Pre- und Post-Processing-Arbeiten auf ein Minimum reduziert, zum anderen ließen sich die Auswirkungen des Verdichtungsprozesses auf einzelne Komponenten erheblich detaillierter und in fast beliebiger Auflösung analysieren.

Komplette Berechnung an einem Tag

Für den automatisierten Simulationsprozess wurde eine thermisch-mechanische Analyseumgebung auf Basis einer 1-Weg-Koppelung mit den entsprechenden Rahmenbedingungen und Solver-Einstellungen geschaffen. Dabei wird als erstes das thermische Problem gelöst, das resultierende Temperaturfeld wird im Hintergrund automatisch an die mechanische Analyse übergeben und auf die Bauteile gemappt. Ein Vorteil dieser Vorgehensweise ist, dass je nach Physik unterschiedliche Vernetzungsmethoden einsetzbar sind. So lassen sich beispielsweise für die thermische Berechnung lineare Elemente und für die mechanische quadratische Elemente nutzen.

Dazu erklärt Alejandro Catalá-Ruiz, Berechnungsingenieur bei Obrist Engineering: „Wir hatten jahrelang keine Lösung, mit der wir die realen Spannungen und Verformungen unter Druck- und Temperaturbelastungen analysieren konnten. Denn der Zeitaufwand, die Lasten manuell zu definieren, war zu hoch und zusätzlich waren die Ergebnisse zu ungenau. Durch die Automatisierungslösung lässt sich eine 1-Weg-Kopplung auf Basis eines relativ einfachen Simulationsmodells realisieren, mit der eine komplette Berechnung an einem Tag abgeschlossen werden kann. Die sonst erforderliche transiente Analyse mit Fluid-Struktur-Interaktion würde ein Vielfaches der Zeit benötigen.“

Automatisierte Einstellungen der Scroll-Kompressoren im Hintergrund

Um die Kompressorbauteile auf das richtige Temperaturniveau zu bringen, wird die thermische Last, die sich periodisch einmal pro Umdrehung wiederholt, mehrmals hintereinander berechnet, bis sich eine eingeschwungene periodische Temperaturverteilung einstellt. Die zeit- und ortsabhängigen Lasten einer kompletten Umdrehung des Verdichtungsprozesses werden mittels eines von Obrist entwickelten Programms berechnet, exportiert und in die Automatisierungslösung eingelesen. Sie bilden die Basis für die im Hintergrund erfolgende Festlegung der spezifischen Rahmenbedingungen für die jeweilige Kompressorvariante sowie die Steuerung der benötigten Lastschritte und Solver-Einstellungen für die Berechnungen.

Die Spaltbreiten, die sich im Betrieb zwischen den beiden Spiralelementen von Scroll-Verdichtern ergeben, spielen eine große Rolle für den Wirkungsgrad der Maschine und die Lebensdauer der Bauteile. Ein zu kleiner Spalt führt zu frühem Verschleiß, ein zu großer Spalt mindert den Wirkungsgrad aufgrund von Leckagen in der Verdichtungskammer. Bei der Simulation werden zur Spalterkennung Kontaktelemente auf den druckbeaufschlagten Flächen positioniert.

Um die Dauerfestigkeit des Scroll-Kompressores möglichst detailliert zu bestimmen, müssen die Spannungszustände der Bauteile genau analysiert werden. Dafür ist eine sehr feine Vernetzung notwendig, was wiederum zu langen Rechenzeiten führt. Diese Herausforderung lässt sich mit der Submodeling-Funktion von Ansys meistern. Sie sorgt dafür, dass nur die Bereiche höchster Belastung fein vernetzt werden, um dort gezielt die Belastungsgrenzen zu prüfen.

Tiefer und umfassender Einblick

Abschließend fasst Alejandro Catalá-Ruiz zusammen: „Mit der neuen automatisierten Simulationslösung erhöhen wir die Produktqualität, weil wir eine verbesserte Funktionalität, einen effizienteren Betrieb und ein robusteres Design erzielen. Die Simulationen mit der ACT-Lösung versetzten uns in die Lage, ein besseres Verständnis über das Verhalten unserer Scroll-Kompressoren zu erreichen. Wir erhalten einen tieferen und umfassenderen Einblick in die Situationen, denen unsere Kompressoren in der Praxis ausgesetzt sind. Mit Hilfe gezielter Versuche konnten wir die Simulationsergebnisse bestätigen. Nur mit Tests an Prototypen hätten wir das jetzt vorhandene Know-how über die realen Betriebsbedingungen unserer Scroll-Kompressoren nicht aufbauen können.“

Mit diesem Workflow sichert sich Obrist Engineering als Entwicklungsdienstleister und damit auch seinen Kunden einen technologischen Vorsprung, der auf Simulation basiert.

Der Autor Gerhard Friederici ist Redakteur bei Cadfem Germany.