201-208, mechanik artykuły
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
//-->MECHANIK 7/2015XIX Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i EksploatacjiDr inż. Waldemar DUDDAWydział Nauk TechnicznychUniwersytet Warmińsko-Mazurski w OlsztynieMgr inż. Daniel CHMIELDOI: 10.17814/mechanik.2015.7.230MODELOWANIE I ANALIZA WYTRZYMAŁOŚCIOWAŁOPATEK TURBINYStreszczenie: W pracy przedstawiono budowę i zasadę działaniaturbosprężarek. W dalszej części artykułu opisano budowę modelunumerycznego turbiny z wykorzystaniem narzędzi CAD. Zasadnicza częśćpracy dotyczy analizy wytrzymałościowej łopatek wirnika. Analizanumeryczna obejmowała trzy etapy. Pierwszy etap polegał na wyznaczeniunaprężeń wyłącznie na skutek sił masowych przy zadanej prędkościobrotowej wirnika. Drugim etapem była analiza przepływu spalin przezturbinę. Trzeci etap to analiza numeryczna uwzględniająca zarówno siłymasowe, jak i siły wynikające z oddziaływania strumienia spalin na łopatki.MODELING AND STRENGTH ANALYSIS OF TURBINE BLADESAbstract: Construction and operation principle of turbo-charger waspresented in the paper. Further, the structure of turbo-charger numericalmodel using CAD tools was described. The essential part of this workconcerns the strength analysis of turbine blades. Numerical analysisincludes three stages. First one was based on the stress determination as theresult of mass forces at the given rotational speed of rotor only. Secondstage is the flow analysis of the exhaust gases through the turbo-charger.Third stage concerns numerical analysis considering both mass forces andforces resulting from the impact of the exhaust stream at the turbo-chargerblades.Słowa kluczowe: turbosprężarka, łopatka turbiny, naprężeniaKeywords: turbo-charger, turbine blade, stress1. WPROWADZENIEPojęcie „turbosprężarka” powstało z połączenia nazw dwóch podstawowych podzespołów:turbiny i sprężarki. Zadaniem tego urządzenia jest dostarczenie do komory spalania silnikapowietrza o ciśnieniu znacznie większym od ciśnienia otoczenia. Pozwala to po pierwszezniwelować skutki oporów przepływu zasysanego powietrza przez system kanałówdolotowych, a po drugie – i istotniejsze – pozwala napełnić cylindry powietrzem o większejgęstości, czyli dostarczyć więcej powietrza do komory spalania. Dodatkowa ilość takpozyskanego powietrza pozwala na podanie większej dawki paliwa, co skutkuje większąenergią spalania w danym cyklu i tym samym większą mocą silnika. Z takiego samegosilnika, lecz wyposażonego w turbosprężarkę, można uzyskać moc nawet o 100% większą niżz silnika wolnossącego.201MECHANIK 7/2015XIX Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i EksploatacjiW systemach turbodoładowania silników samochodowych wykorzystuje się osiowo--promieniowe koła wirnikowe zarówno turbin, jak i sprężarek. Para takich kół osadzana jestna wspólnym wale, jednakże wirnik turbiny, wykonany najczęściej z wysoko stopowej staliżarowytrzymałej, połączony jest z wałem na stałe. Wirnik sprężarki jest najczęściej wykonanyze stopu aluminium. Wloty i wyloty obu wirników ograniczone są spiralnymi korpusami,najczęściej żeliwnym po stronie turbiny i aluminiowym po stronie sprężarki. Obudowy tepołączone są po przeciwnych stronach trzeciego korpusu, w którym znajduje się systemłożyskowania wspólnego wału. Korpus ten posiada również szereg kanałów stanowiącycholejowy system smarowania i chłodzenia układu łożyskowania. W niektórych rozwiązaniachkonstrukcyjnych posiada on również oddzielny system chłodzenia cieczą.Rys. 1. Zasada działania turbosprężarki [9]Spaliny z kolektora wylotowego doprowadzane są do wlotu korpusu turbiny (rys. 1),wprawiając w ruch jej wirnik (zwany stroną gorącą), który poprzez wspólny wał wprawiajednocześnie w ruch wirnik sprężarki, zwany stroną zimną. Ruch obrotowy wirnika sprężarkipowoduje kompresję powietrza, które trafia do układu dolotowego i następnie jest wtłoczonebezpośrednio do komory spalania lub trafia do chłodnicy powietrza (intercooler), dodatkowozwiększając jego gęstość tuż przed wtłoczeniem do komory spalania.Jednymi z najbardziej obciążonych elementów turbosprężarki są łopatki wirnika turbiny,które wirują z prędkością obrotową przekraczającą nawet 100 tys. obr./min, a jednocześnienapierają na nie gazy spalinowe o wysokiej temperaturze. Celem pracy jest określenie, jakdalece możliwa jest analiza wytrzymałościowa łopatek turbiny przykładowej turbosprężarkiz wykorzystaniem typowych programów CAD/CAE. W analizie podjęta będzie próbauwzględnienia zarówno naporu gazów, jak i sił odśrodkowych działających na łopatki.2. MODEL NUMERYCZNY SPRĘŻARKIKonstrukcją, na podstawie której został wykonany wirtualny model, jest turbosprężarka dosamochodów osobowych firmy Garrett – model 54R serii GT28 [8]. Wirnik tej turbosprężarkiosadzony jest na łożyskach kulkowych chłodzonych olejem oraz płaszczem wodnym.Średnica wirnika 53,90 mm [12].202MECHANIK 7/2015XIX Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i EksploatacjiModel numeryczny jest znacznie uproszczony i został ograniczony do elementówniezbędnych do wykonania analizy wytrzymałościowej łopatek, czyli do zamodelowaniawirnika i korpusu turbiny. Należy nadmienić, że utworzony model korpusu na tyleodzwierciedla model bazowy, na ile pozwoliły udostępnione na stronie producentapodstawowe wymiary turbosprężarki GT2854R (rys. 2). O ile dostępne były ogólne wymiaryzewnętrzne tej turbiny, o tyle wymiary wirnika, a zwłaszcza te opisujące kształt jego łopatek,okazują się pilnie strzeżoną tajemnicą producentów turbin. Model łopatek jest zatemopracowany na podstawie dostępnych zdjęć (np. rys. 3). Należy nadmienić, że ogólny kształtłopatek wirników turbin jest powtarzalny dla ogromnej ilości różnych rodzajówturbosprężarek.Rys. 2. Bazowe dostępne wymiary turbiny GT2854R [11]Rys. 3. Typowy zarys łopatek wirnika turbiny [10]Do opracowania modelu 3D wykorzystano program SolidWorks [4], posiadający pełną gamęnarzędzi do modelowania powierzchniowego i bryłowego. Ogromna ilość modułówwspomagających i narzędzi sprawia, że program ten znacznie ułatwia pracę konstruktora.Duża zaletą programu jest możliwość wymiany plików z wieloma aplikacjamiCAD/CAM/CAE, co umożliwia współpracę w ramach większych grup projektowych.Budowę modelu rozpoczęto od opracowania wału sprężarki wraz z bębnem (rys. 4a),na którym zostaną osadzone łopatki wirnika. Następnie zamodelowano pojedynczą łopatkę(rys. 4b), którą powielono za pomocą operacji „szyk kołowy” wokół bębna (rys. 4c).203MECHANIK 7/2015XIX Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacjia)b)c)Rys. 4. Kolejne etapy modelowania wirnika turbinyDysponując modelem wirnika oraz udostępnionymi podstawowymi wymiaramiturbosprężarki, ukształtowano wlot i wylot turbiny. Wszystkie operacje zostały utworzonew złożeniu wraz z wirnikiem, aby dopasować wzajemne kształty i uniknąć kolizji elementów.Korpus turbiny, potocznie zwany cyklonem, został oparty na spirali Archimedesa (rys. 5a).Utworzenie kilku profili opartych na tych spiralach pozwoliło na utworzenie bryły, którakształtem odzwierciedla obudowę turbiny (rys. 5b). Następnie dodano komorę wirnikai króciec dolotowy (rys. 5c).a)b)c)d)Rys. 5. Kolejne etapy modelowania korpusu turbiny (a, b, c) i jego złożenie z wirnikiem (d)Kolejne operacje, także jak „skorupa”, „wyciągnięcie” itp. pozwoliły na utworzenie całejobudowy, którą w złożeniu z wirnikiem przedstawiono na rysunku 5d. Modele wirnikai obudowy zostały połączone więzami odległości oraz koncentryczności tak, aby podczassymulacji obracający się wirnik nie dotykał skorupy korpusu. Odległość tylnej ściany wirnikaod wewnętrznej ściany obudowy wynosi 0,5 mm, a odległość końca łopatek do wewnętrznejczęści komory 1,0 mm.3. ANALIZA WYTRZYMAŁOŚCIOWA ŁOPATEK WIRNIKA TURBINYAnalizę numeryczną podzielono na trzy etapy. Pierwszy etap polegał na wyznaczeniunaprężeń wyłącznie na skutek sił masowych wynikających z prędkości obrotowej wirnika.Został tu wykorzystany dodatek SolidWorks Simulation umożliwiający analizęwytrzymałościową metodą elementów skończonych (MES).Drugim etapem była analiza przepływu przez turbinę z wykorzystaniem dodatku SolidWorksFlow Simulation. Pozwoliła ona określić siły i ciśnienia oddziałujące na powierzchniełopatek. Ponieważ program SolidWorks umożliwia wymianę wyników między dwomawspomnianymi wyżej dodatkami, stąd dane odnośnie do obciążenia łopatek, wynikającez analizy przepływu, zostały wyeksportowane do dodatku SolidWorks Simulation.Ten eksport danych umożliwił wyznaczenie naprężeń w wirniku turbiny za pomocą MES,wywołanych jedynie przepływem spalin. Korpus turbiny został wyłączony z analizynaprężeń.204MECHANIK 7/2015XIX Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i EksploatacjiTrzeci etap to analiza numeryczna MES uwzględniająca jednocześnie siły masowewirującego wirnika, jak również zaimportowane obciążenie wynikające z oddziaływaniastrumienia spalin na łopatki tegoż wirnika.Etap 1Wykorzystując generator siatki bryłowej, podzielono model wirnika na 229 283 elementyskończone rozpięte na 342 847 węzłach. Dyskretyzację modelu, jak również jej pozostałeparametry, przedstawiono na rysunku 6. Na wał wirnika nałożono więzy pozwalające mujedynie na obrót wokół jego osi podłużnej i nadano kierunek rotacji (rys. 6), przyjmując doanalizy prędkość 80 tys. obr./min. Założono, że wirnik jest wykonany ze stopu Inconel 713Co właściwościach [6]: moduł YoungaE= 2,05105MPa, moduł KirchhoffaG =2,05105MPa, liczba Poissona=0,33, gęstość=8220 kg/m3, wytrzymałość narozciąganieRm=1275 MPa, granica plastycznościR0.2=829,5 MPa, współczynnikrozszerzalności cieplnej 9,4810-6K-1, współczynnik przewodzenia ciepła=35,4 W/(mK),ciepło właściwecv=500 J/(kgK).Rys. 6. Dyskredytacja modelu wirnika – parametry siatki, więzy i kierunek rotacjiWyniki analizy MES w postaci rozkładu naprężeń zredukowanych wg hipotezy Hubera–Misesa dla wirnika turbiny przedstawiono na rysunku 9. Maksymalna wartość tych naprężeńto w zaokrągleniu 258 MPa (rys. 7).Rys. 7. Rozkład naprężeń w wirniku w wyniku jego rotacji205 [ Pobierz całość w formacie PDF ]
zanotowane.pl doc.pisz.pl pdf.pisz.pl charloteee.keep.pl
//-->MECHANIK 7/2015XIX Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i EksploatacjiDr inż. Waldemar DUDDAWydział Nauk TechnicznychUniwersytet Warmińsko-Mazurski w OlsztynieMgr inż. Daniel CHMIELDOI: 10.17814/mechanik.2015.7.230MODELOWANIE I ANALIZA WYTRZYMAŁOŚCIOWAŁOPATEK TURBINYStreszczenie: W pracy przedstawiono budowę i zasadę działaniaturbosprężarek. W dalszej części artykułu opisano budowę modelunumerycznego turbiny z wykorzystaniem narzędzi CAD. Zasadnicza częśćpracy dotyczy analizy wytrzymałościowej łopatek wirnika. Analizanumeryczna obejmowała trzy etapy. Pierwszy etap polegał na wyznaczeniunaprężeń wyłącznie na skutek sił masowych przy zadanej prędkościobrotowej wirnika. Drugim etapem była analiza przepływu spalin przezturbinę. Trzeci etap to analiza numeryczna uwzględniająca zarówno siłymasowe, jak i siły wynikające z oddziaływania strumienia spalin na łopatki.MODELING AND STRENGTH ANALYSIS OF TURBINE BLADESAbstract: Construction and operation principle of turbo-charger waspresented in the paper. Further, the structure of turbo-charger numericalmodel using CAD tools was described. The essential part of this workconcerns the strength analysis of turbine blades. Numerical analysisincludes three stages. First one was based on the stress determination as theresult of mass forces at the given rotational speed of rotor only. Secondstage is the flow analysis of the exhaust gases through the turbo-charger.Third stage concerns numerical analysis considering both mass forces andforces resulting from the impact of the exhaust stream at the turbo-chargerblades.Słowa kluczowe: turbosprężarka, łopatka turbiny, naprężeniaKeywords: turbo-charger, turbine blade, stress1. WPROWADZENIEPojęcie „turbosprężarka” powstało z połączenia nazw dwóch podstawowych podzespołów:turbiny i sprężarki. Zadaniem tego urządzenia jest dostarczenie do komory spalania silnikapowietrza o ciśnieniu znacznie większym od ciśnienia otoczenia. Pozwala to po pierwszezniwelować skutki oporów przepływu zasysanego powietrza przez system kanałówdolotowych, a po drugie – i istotniejsze – pozwala napełnić cylindry powietrzem o większejgęstości, czyli dostarczyć więcej powietrza do komory spalania. Dodatkowa ilość takpozyskanego powietrza pozwala na podanie większej dawki paliwa, co skutkuje większąenergią spalania w danym cyklu i tym samym większą mocą silnika. Z takiego samegosilnika, lecz wyposażonego w turbosprężarkę, można uzyskać moc nawet o 100% większą niżz silnika wolnossącego.201MECHANIK 7/2015XIX Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i EksploatacjiW systemach turbodoładowania silników samochodowych wykorzystuje się osiowo--promieniowe koła wirnikowe zarówno turbin, jak i sprężarek. Para takich kół osadzana jestna wspólnym wale, jednakże wirnik turbiny, wykonany najczęściej z wysoko stopowej staliżarowytrzymałej, połączony jest z wałem na stałe. Wirnik sprężarki jest najczęściej wykonanyze stopu aluminium. Wloty i wyloty obu wirników ograniczone są spiralnymi korpusami,najczęściej żeliwnym po stronie turbiny i aluminiowym po stronie sprężarki. Obudowy tepołączone są po przeciwnych stronach trzeciego korpusu, w którym znajduje się systemłożyskowania wspólnego wału. Korpus ten posiada również szereg kanałów stanowiącycholejowy system smarowania i chłodzenia układu łożyskowania. W niektórych rozwiązaniachkonstrukcyjnych posiada on również oddzielny system chłodzenia cieczą.Rys. 1. Zasada działania turbosprężarki [9]Spaliny z kolektora wylotowego doprowadzane są do wlotu korpusu turbiny (rys. 1),wprawiając w ruch jej wirnik (zwany stroną gorącą), który poprzez wspólny wał wprawiajednocześnie w ruch wirnik sprężarki, zwany stroną zimną. Ruch obrotowy wirnika sprężarkipowoduje kompresję powietrza, które trafia do układu dolotowego i następnie jest wtłoczonebezpośrednio do komory spalania lub trafia do chłodnicy powietrza (intercooler), dodatkowozwiększając jego gęstość tuż przed wtłoczeniem do komory spalania.Jednymi z najbardziej obciążonych elementów turbosprężarki są łopatki wirnika turbiny,które wirują z prędkością obrotową przekraczającą nawet 100 tys. obr./min, a jednocześnienapierają na nie gazy spalinowe o wysokiej temperaturze. Celem pracy jest określenie, jakdalece możliwa jest analiza wytrzymałościowa łopatek turbiny przykładowej turbosprężarkiz wykorzystaniem typowych programów CAD/CAE. W analizie podjęta będzie próbauwzględnienia zarówno naporu gazów, jak i sił odśrodkowych działających na łopatki.2. MODEL NUMERYCZNY SPRĘŻARKIKonstrukcją, na podstawie której został wykonany wirtualny model, jest turbosprężarka dosamochodów osobowych firmy Garrett – model 54R serii GT28 [8]. Wirnik tej turbosprężarkiosadzony jest na łożyskach kulkowych chłodzonych olejem oraz płaszczem wodnym.Średnica wirnika 53,90 mm [12].202MECHANIK 7/2015XIX Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i EksploatacjiModel numeryczny jest znacznie uproszczony i został ograniczony do elementówniezbędnych do wykonania analizy wytrzymałościowej łopatek, czyli do zamodelowaniawirnika i korpusu turbiny. Należy nadmienić, że utworzony model korpusu na tyleodzwierciedla model bazowy, na ile pozwoliły udostępnione na stronie producentapodstawowe wymiary turbosprężarki GT2854R (rys. 2). O ile dostępne były ogólne wymiaryzewnętrzne tej turbiny, o tyle wymiary wirnika, a zwłaszcza te opisujące kształt jego łopatek,okazują się pilnie strzeżoną tajemnicą producentów turbin. Model łopatek jest zatemopracowany na podstawie dostępnych zdjęć (np. rys. 3). Należy nadmienić, że ogólny kształtłopatek wirników turbin jest powtarzalny dla ogromnej ilości różnych rodzajówturbosprężarek.Rys. 2. Bazowe dostępne wymiary turbiny GT2854R [11]Rys. 3. Typowy zarys łopatek wirnika turbiny [10]Do opracowania modelu 3D wykorzystano program SolidWorks [4], posiadający pełną gamęnarzędzi do modelowania powierzchniowego i bryłowego. Ogromna ilość modułówwspomagających i narzędzi sprawia, że program ten znacznie ułatwia pracę konstruktora.Duża zaletą programu jest możliwość wymiany plików z wieloma aplikacjamiCAD/CAM/CAE, co umożliwia współpracę w ramach większych grup projektowych.Budowę modelu rozpoczęto od opracowania wału sprężarki wraz z bębnem (rys. 4a),na którym zostaną osadzone łopatki wirnika. Następnie zamodelowano pojedynczą łopatkę(rys. 4b), którą powielono za pomocą operacji „szyk kołowy” wokół bębna (rys. 4c).203MECHANIK 7/2015XIX Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacjia)b)c)Rys. 4. Kolejne etapy modelowania wirnika turbinyDysponując modelem wirnika oraz udostępnionymi podstawowymi wymiaramiturbosprężarki, ukształtowano wlot i wylot turbiny. Wszystkie operacje zostały utworzonew złożeniu wraz z wirnikiem, aby dopasować wzajemne kształty i uniknąć kolizji elementów.Korpus turbiny, potocznie zwany cyklonem, został oparty na spirali Archimedesa (rys. 5a).Utworzenie kilku profili opartych na tych spiralach pozwoliło na utworzenie bryły, którakształtem odzwierciedla obudowę turbiny (rys. 5b). Następnie dodano komorę wirnikai króciec dolotowy (rys. 5c).a)b)c)d)Rys. 5. Kolejne etapy modelowania korpusu turbiny (a, b, c) i jego złożenie z wirnikiem (d)Kolejne operacje, także jak „skorupa”, „wyciągnięcie” itp. pozwoliły na utworzenie całejobudowy, którą w złożeniu z wirnikiem przedstawiono na rysunku 5d. Modele wirnikai obudowy zostały połączone więzami odległości oraz koncentryczności tak, aby podczassymulacji obracający się wirnik nie dotykał skorupy korpusu. Odległość tylnej ściany wirnikaod wewnętrznej ściany obudowy wynosi 0,5 mm, a odległość końca łopatek do wewnętrznejczęści komory 1,0 mm.3. ANALIZA WYTRZYMAŁOŚCIOWA ŁOPATEK WIRNIKA TURBINYAnalizę numeryczną podzielono na trzy etapy. Pierwszy etap polegał na wyznaczeniunaprężeń wyłącznie na skutek sił masowych wynikających z prędkości obrotowej wirnika.Został tu wykorzystany dodatek SolidWorks Simulation umożliwiający analizęwytrzymałościową metodą elementów skończonych (MES).Drugim etapem była analiza przepływu przez turbinę z wykorzystaniem dodatku SolidWorksFlow Simulation. Pozwoliła ona określić siły i ciśnienia oddziałujące na powierzchniełopatek. Ponieważ program SolidWorks umożliwia wymianę wyników między dwomawspomnianymi wyżej dodatkami, stąd dane odnośnie do obciążenia łopatek, wynikającez analizy przepływu, zostały wyeksportowane do dodatku SolidWorks Simulation.Ten eksport danych umożliwił wyznaczenie naprężeń w wirniku turbiny za pomocą MES,wywołanych jedynie przepływem spalin. Korpus turbiny został wyłączony z analizynaprężeń.204MECHANIK 7/2015XIX Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i EksploatacjiTrzeci etap to analiza numeryczna MES uwzględniająca jednocześnie siły masowewirującego wirnika, jak również zaimportowane obciążenie wynikające z oddziaływaniastrumienia spalin na łopatki tegoż wirnika.Etap 1Wykorzystując generator siatki bryłowej, podzielono model wirnika na 229 283 elementyskończone rozpięte na 342 847 węzłach. Dyskretyzację modelu, jak również jej pozostałeparametry, przedstawiono na rysunku 6. Na wał wirnika nałożono więzy pozwalające mujedynie na obrót wokół jego osi podłużnej i nadano kierunek rotacji (rys. 6), przyjmując doanalizy prędkość 80 tys. obr./min. Założono, że wirnik jest wykonany ze stopu Inconel 713Co właściwościach [6]: moduł YoungaE= 2,05105MPa, moduł KirchhoffaG =2,05105MPa, liczba Poissona=0,33, gęstość=8220 kg/m3, wytrzymałość narozciąganieRm=1275 MPa, granica plastycznościR0.2=829,5 MPa, współczynnikrozszerzalności cieplnej 9,4810-6K-1, współczynnik przewodzenia ciepła=35,4 W/(mK),ciepło właściwecv=500 J/(kgK).Rys. 6. Dyskredytacja modelu wirnika – parametry siatki, więzy i kierunek rotacjiWyniki analizy MES w postaci rozkładu naprężeń zredukowanych wg hipotezy Hubera–Misesa dla wirnika turbiny przedstawiono na rysunku 9. Maksymalna wartość tych naprężeńto w zaokrągleniu 258 MPa (rys. 7).Rys. 7. Rozkład naprężeń w wirniku w wyniku jego rotacji205 [ Pobierz całość w formacie PDF ]