ANALIZA WYTRZYMAŁO CIOWA ŁOPATEK TURBINY W NUMERYCZNYCH MODELACH WIRNIKÓW TURBOSPR AREK

Transkrypt

1 ANALIZA WYTRZYMAŁO CIOWA ŁOPATEK TURBINY W NUMERYCZNYCH MODELACH WIRNIKÓW TURBOSPR AREK TOMASZ KAŁACZY SKI, MARCIN ŁUKASIEWICZ, JOANNA WILCZARSKA, ANDRZEJ SADOWSKI, HUBERT WOJCIECHOWSKI Streszczenie W pracy przestawiono mo liwo implementacji systemów CAD/CAM/CAE w procesie modelowania. Przedstawiono równie etapy powstawania numerycznych modeli wirników turbospr arek narz dziami CAD. Kluczowa cz pracy obejmuje opis analizy wytrzymało ciowej łopatek wirnika oraz weryfikacja warto ci odchyle. Dodatkowo przedstawiono rozkład napr eni powstały w wyniku reakcji sił masowych, jak równie rotacji wirnika. Analiz zrealizowano dla ró nych obci e jednostek nap dowych. Słowa kluczowe: turbospr arka, łopatka wirnika, napr enia, przemieszczenia, modelowanie bryłowe, techniki informacyjne Wprowadzenie Uzyskanie doskonałych parametrów pracy silnika spalinowego jest kluczowym wyzwaniem dla koncernów konstruuj cych jednostki nap dowe [5.8]. Realizacja powy szego celu sprawia, i układy doładowania przeszły liczne modernizacje w ci gu ostatnich lat. Producenci silników spalinowych w swoich najnowszych rozwi zaniach oferuj jednostki nap dowe, o zmniejszonej pojemno ci skokowej, generuj ce wysok moc (tzw. downsizing). Taka technologia wi e si z unowocze nieniem układów doładowania, jak równie samych urz dze doładowuj cych (turbospr arek, spr arek mechanicznych). Ka de jednorazowe udoskonalenie sprawia, i niezb dne staj si weryfikacje, analizy napr e oraz przemieszczenia poszczególnych elementów [2]. Podczas znacznego obci enia silnika spalinowego, najbardziej nara onym elementem turbospr arki na obci enia s łopatki wirnika turbiny. Pr dko wałka turbospr arki, na którym osadzone jest koło turbiny wraz z łopatkami przekracza warto obr/ min. W trakcie pracy urz dzenia doładowuj cego, wirnik turbiny nara ony jest na gazy spalinowe o bardzo wysokiej temperaturze. Głównym celem niemniejszej pracy jest przedstawienie, a tak e zweryfikowanie napr e oraz przemieszcze łopatek wirnika turbiny, w zale no ci od obci enia jednostki nap dowej. Do stworzenia numerycznego modelu 3D, wykorzystano program typu CAD. 62

2 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 79, Charakterystyka systemów CAD/ CAM/ CAE w procesie modelowania Współpraca nowoczesnych technik druku 3D wraz z szerokim wyborem programów CAD, a tak e rozwój systemów in ynierskich wspomaga przemysł oraz udoskonala nauk cz sto w rozbie nych kierunkach. Tego typu system umo liwiaj stworzenie przedmiotów, brył o skomplikowanych kształtach, po czym poddawane s analizie, badaniom w ró nych aspektach eksploatacyjnych. Popularnymi programami, które charakteryzuj te systemy s m.in. Autodesk Inventor, Catia czy Virtual lab. a) Autodesk Inventor- jeden z typów programu CAD (Computer Aided Design). Charakteryzuje si mo liwo ci stworzenia elementów cz ci maszyn- od najprostszych detali, po powierzchnie o skomplikowanej, wielopłaszczyznowej krzywi nie. Proces budowania cz - ci maszyn nazywany jest modelowaniem. Jego zasadnicz funkcj jest stworzenie geometrycznego modelu maszyn, z uwzgl dnieniem geometrii analitycznej. Zapewnia to wykonanie elementów z du dokładno ci. Autodesk Inventor umo liwia tworzenie pełnej dokumentacji technicznej. System udost pnia uzyskanie rysunków technicznych, zło eniowych z prawidłow numeracj oraz zestawieniem cz ci maszyn. Program współpracuje z modułami CAE (Computer Aided Enginering). Umo liwia to zrealizowanie in ynierskich oblicze, analiz wytrzymało ciowych, cieplnych oraz przepływowych [1, 6, 11]. Rysunek 1. Element obudowy turbospr arki- model geometryczny, stworzony w programie Autodesk Invetor b) Catia zaawansowany system, który posiada zintegrowane moduły CAD/ CAM/ CAE. Podobnie jak opisany powy ej program, Catia posiada funkcje modelowania przestrzennego, jak równie realizuje obliczenia in ynierskie. Moduł CAM (Computer Aided Manufacturing) umo liwia wytwarzanie elementów cz ci maszyn, które posiadaj zło one kształty. Głównym zadanie modułu, jest opracowanie procesu technologicznego, który współpracuje ze zintegrowanymi obrabiarkami sterowanymi numerycznie [7,9,11]. 63

3 T. Kałaczy ski, M. Łukasiewicz, J. Wilczarska, A. Sadowski, H. Wojciechowski Analiza wytrzymało ciowa łopatek turbiny w numerycznych modelach wirników turbospr arek c) LMS Virtual.Lab- program, którego funkcje oraz narz dzia pozwalaj na przeprowadzenie bada prototypów w zakresie wytrzymało ci zm czeniowej, a tak e weryfikacji analiz dynamicznych. Symulacje modeli dynamicznych zastosowane w programie pozwalaj na odzwierciedlenie czynników emitowanych podczas codziennej eksploatacji urz dzenia [1,3]. Główn zalet oprogramowania s współpracuj ce moduły, które umo liwiaj stworzenie dokładnych raportów bada. Do najpopularniejszych nale : Motion, Durability, Noise And Vibration, Correlation oraz Optimization. Ka dy z nich odpowiada za weryfikacj cz ci, elementów maszyn z ró nych aspektów dziedzin nauki. [1,3,12] Rysunek 2. Model geometryczny wiatraka wykonany w programie LMS Virtual.Lab 2. Analiza modelu wirnika turbospr arki Proces analizy wytrzymało ciowej został zrealizowany w programie Autodesk Invetor 2015, przy pomocy symulacji napr e. Badania weryfikuj napr enia, a tak e przemieszczenia przenoszone przez łopatki wirnika turbiny, w zale no ci od obci enia silnika spalinowego. Analiza polegała na zweryfikowaniu napr e powstałych poprzez siły masowe, które s zwi zane z ruchem obrotowym wirnika turbospr arki. 64

4 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 79, Obiekt bada Do bada wykorzystano numeryczne modele wirników turbospr arek, wykonane w programie Autodesk Inventor Wiele firm zajmuj cych si produkcj urz dze doładowuj cych, nie ujawnia informacji dotycz cych materiałów oraz ich wła ciwo ci. W zwi zku z tym przyj to, i wirnik wykonany jest ze stopu Inconel 713C. Powy szy materiał posiada nast puj ce cechy [3, ]: moduł Younga E= 2, MPa, moduł Kirchhoffa G= 2, MPa, g sto = 8220 kg/m3, wytrzymało na rozci ganie Rm=1275 MPa, granica plastyczno ci R0.2=829,5 MPa. W celu lepszego zobrazowania zale no ci wielko ci wałka turbospr arki do przenoszonych napr e oraz przemieszcze łopatek, wykonano numeryczne wirniki pojazdu osobowego (Peugeot HDI), dostawczego (Mercedes-Benz Sprinter 2.7 CDI), a tak e ci arowego (Mercedes- Benz Actross). Konstrukcje zostały stworzone na podstawie podzespołów urz dze doładowuj cych firmy Melett. ródło: [4]. Rysunek 3. Numeryczne modele wirników pojazdów samochodowych 2.2. Etapy modelowania Tok post powania, niezale nie od wielko ci oraz zastosowania wirnika, w ka dym modelu był taki sam. Pierwszym etapem było stworzenie wałka turbospr arki. Element powstał przez wyci gni cie wyszczególnionych cz ci komend,,wyci GNI CIE PROSTE". Nast pnie zamodelowano pojedyncz łopatk, która została powielona dookoła osi wirnika poleceniem,, Szyk Kołowy". ródło: [4]. Rysunek 4. Pierwsze etapy powstawania wirnika turbospr arki 65

5 T. Kałaczy ski, M. Łukasiewicz, J. Wilczarska, A. Sadowski, H. Wojciechowski Analiza wytrzymało ciowa łopatek turbiny w numerycznych modelach wirników turbospr arek Poni sza ilustracja przedstawia zamodelowan łopatk, która została powielona wokół osi wirnika. ródło: [4]. Rysunek 5. Etap modelowania wirnika turbospr arki 2.3. Procedura przebiegu badania Przebieg badania podczas weryfikacji napr e oraz przemieszcze wyst puj cych na łopatkach wirnika turbiny mo na uwzgl dni w kilku etapach. Analiza rozpocz ła si od wyboru, nadania odpowiedniego materiału, któremu odpowiadaj parametry fizyczne, a tak e mechaniczne. Nast pnie nale ało oznaczy nieruchome wi zania na modelu geometrycznym jakie wyst puj podczas symulacji dynamicznej. Kolejnym etapem jest zdefiniowanie, jak równie nadanie obci e wyst puj ce na łopatkach wirnika w momencie pracy jednostki nap dowej. Wa nym aspektem podczas przebiegu badania jest dyskredytacja modelu oraz ustawienie parametrów siatki bryłowej. Warto ci te wpływaj na dokładno pomiaru. W dalszej cz ci uruchamiana zostaje symulacja, po czym program sporz dza raport ko cowy wyników. Poni ej przedstawiono graficzn ilustracj procedury badania. Rysunek 6. Schemat procedury badania 66

6 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 79, Analiza wytrzymało ciowa łopatek turbiny Pierwsze badanie zostało przeprowadzone na wirniku pojazdu osobowego. Analiza numeryczna uwzgl dniła obci enia oraz siły masowe, powstałe podczas pracy jednostki nap dowej. Badanie zrealizowano dla ró nych pr dko ci obrotowych elementu wiruj cego: obr/ min, obr/ min oraz obr/ min. Rozkład napr e został przedstawiony według hipotezy Hubera-Misesa. Raport wyników przedstawiono poni ej. Rysunek 7. Napr enia łopatek wirnika w turbospr arce pojazdu samochodowego ródło: [10]. Rysunek 8. Miejsce wyst pienia maksymalnego napr enia Powy sza ilustracja obrazuje najbardziej nara one na napr enia miejsce, w którym wyst puj maksymalne napr enia dla pr dko ci obrotowej wirnika rz du obr/ min. Miejsce to wyst puje przy zewn trznej cz ci koła turbiny w poł czeniu z łopatk wirnika. Na skutek powstawania napr e oraz wyst puj cych sił masowych, łopatki wirnika ulegaj przemieszczeniu oraz odchyleniu. Badanie wykonano dla pr dko ci obrotowej wałka w granicach obr/ min. Maksymalna warto odchylenia łopatki wynosiła 0,1526mm. Rysunek poni ej przedstawia raport wyniku podczas badania oraz zilustrowano odchylenia łopatki od nominalnego poło enia. 67

7 T. Kałaczy ski, M. Łukasiewicz, J. Wilczarska, A. Sadowski, H. Wojciechowski Analiza wytrzymało ciowa łopatek turbiny w numerycznych modelach wirników turbospr arek ródło: [10]. Rysunek 9. Raport badania odchylenia łopatki wirnika Kolejn analiz przeprowadzono na modelu numerycznym wirnika pojazdu odstawczego. Jak w poprzednim przypadku napr enia powstałe w wyniku sił masowych zostały zweryfikowane dla trzech pr dko ci obrotowych wałka turbospr arki. ( obr/min, obr/ min, obr/ min). Raport rozkładu napr e został przedstawiony zgodnie z hipotez Hubera-Misesa. Rysunek 10. Raport rozkładu napr e w wirniku pojazdu dostawczego Miejsce, w którym zlokalizowano ryzyko wyst pienia najwi kszego napr enia jest zewn trzna cz koła turbiny, w górnym poł czeniu łopatki z powierzchnia koła. Badanie przeprowadzono przy pr dko ci obrotowej wirnika rz du obr/min. 68

8 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 79, 2016 Obszar ten przedstawiono poni ej. Rysunek 11. Miejsce wyst pienia maksymalnego napr enia w wirniku pojazdu dostawczego ródło: [10]. Odchylenie łopatek jest zjawiskiem, które powstaje w wyniku działania m.in. sił masowych, rotacji wirnika. Analiza badania została przeprowadzona przy pr dko ci obr/ min elementu wiruj cego. Warto odchylenia wyniosła 0,05639 mm. Poni szy rysunek przedstawia odchylenie łopatki od warto ci rzeczywistej. Rysunek 12. Raport z badania odchylenia łopatki wirnika Ostatnim przeanalizowanym elementem był wirnik pojazdu ci arowego. Analiz modelu numerycznego przeprowadzono dla takich samych pr dko ci obrotowych jak w poprzednich badaniach. 69

9 T. Kałaczy ski, M. Łukasiewicz, J. Wilczarska, A. Sadowski, H. Wojciechowski Analiza wytrzymało ciowa łopatek turbiny w numerycznych modelach wirników turbospr arek Powstałe napr enia w wyniku sił masowych oraz rotacji wirnika zobrazowano poni ej. Rysunek 13. Rozkład napr e w wirniku pojazdu ci arowego W zewn trznej cz ci koła turbiny w miejscach poł cze z łopatk wirnika wyst puj najwi ksze napr enia. To najbardziej nara one, newralgiczne fragmenty, w czasie pracy turbospr arki. Lokalizacj tych miejsc przedstawiono na poni szej ilustracji. Rysunek 14. Wyst powanie maksymalnych napr e w wirniku pojazdu ci arowego Weryfikacja odchylenia łopatek wirnika nast piła przy pr dko ci obrotowej ok obr/min. Maksymalne warto przemieszczenie wyniosła 0,03567 mm. Skok łopatki od poło enia nominalnego został przedstawiony poni ej. 70

10 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 79, Analiza wyników bada Rysunek 15. Odchylenie łopatki w wirniku pojazdu ci arowego Wa nym czynnikiem maj cym wpływ na rozkład napr e, a tak e odchyle łopatek wirnika s wyst puj ce siły masowe oraz pr dko obrotowa elementu wiruj cego. Przedstawione aspekty głównie zale od obci enia jednostki nap dowej. Protokół, zestawienie otrzymanych wyników umieszczono w poni szej tabeli. Pr dko obrotowa wirnika Tabela 1. Zestawienie otrzymanych wyników Badania wytrzymało ciowe Pojazd samochodowy Mercedes-Benz Mercedes-Benz Actros Sprinter Peugeot min -1 26,36 MPa 31,24 MPa 110,2 MPa min 1 33,53 MPa 61,04 MPa 175,1 MPa min 1 92,91 MPa 122,01 MPa 301,06 MPa Przemieszczenie łopatek wirnika Pojazd samochodowy Pr dko obrotowa wirnika Mercedes-Benz Actros Mercedes-Benz Sprinter Peugeot min 1 0,03567 mm 0,05639 mm 0,1526 mm Z analizy tabeli 1 potwierdza si fakt, i rozkład napr e w wirniku turbospr arki wrasta wraz z obci eniem silnika spalinowego. Aby lepiej zobrazowa przedstawione stwierdzenie na rysunku 16 zilustrowano wykres zale no ci napr e do pr dko ci obrotowej wirnika. 71

11 T. Kałaczy ski, M. Łukasiewicz, J. Wilczarska, A. Sadowski, H. Wojciechowski Analiza wytrzymało ciowa łopatek turbiny w numerycznych modelach wirników turbospr arek Rysunek 16. Wykres zale no ci rozkładu napr e do pr dko ci obrotowej wirnika turbospr arki Fundamentaln ró nic w badanych wirnikach jest ich wielko, wymiar. Ró nica w rednicach kół turbiny mi dzy najwi kszym a najmniejszym wirnikiem wynosi blisko 35 mm. Z tego wzgl du napr enia wyst puj ce na wirniku pojazdu ci arowego s niewielkie, w stosunku do pozostałych badanych obiektów. Najwi ksza warto powstałych napr e pojawiła si na numerycznym modelu wirnika pojazdu osobowego. Kolejnym badanym zjawiskiem było przemieszczenie, odchylenie łopatek wirnika turbospr - arki. Zdarzenie to wyst puje w wyniku reakcji sił masowych, a tak e rotacji wałka urz dzenia doładowuj cego, na którym osadzone jest koło turbiny. W wyniku przeprowadzonych bada najwi ksz warto odchylenia zaobserwowano na łopatkach wirnika pojazdu osobowego. Ró nica pomi dzy najwi kszym przemieszczeniem a najmniejszym, jakie wyst piło w numerycznym modelu pojazdu ci arowego wyniosło 0,11693 mm. 3. Podsumowanie W artykule zaprezentowano mo liwo implementacji technik informatycznych na przykładzie programu CAD, wraz z nowoczesn technologia weryfikacji prototypu. System umo liwia realizacje oblicze in ynierskich, które mo na porówna z rzeczywistymi parametrami urz dze. Kluczowym aspektem podczas realizacji zaplanowanych bada było uzyskanie skomplikowanych krzywizn łopatek wirnika. Dokładne odwzorowanie elementu jest istotnym procesem, gdy umo liwia poprawno prowadzonych bada. W efekcie przeprowadzonych działa stworzono numeryczny model wirnika turbospr arki pojazdu samochodowego. Powstał on za pomoc przeprowadzonych operacji modelowania w programie Autodesk Inventor Na otrzymanym modelu dokonano symulacji dynamicznej układu, uwzgl dniaj c wyst puj ce siły masowe, a tak e obci enia jednostki nap dowej. Zweryfikowano rozkład napr e wyst puj cy na łopatkach wirnika oraz przeanalizowano odchylenie płaszczyzn łopatek od warto ci nominalnych. Przedstawione narz dzia wspomagaj ce prace projektowe, umo liwiaj realizacji symulacji zmian parametrów urz dze oraz umo liwiaj modernizacj geometryczn bryły podczas konstruowania. Na podstawie zweryfikowanych modeli numerycznych, mo na wywnioskowa, i rozwój 72

12 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 79, 2016 narz dzi CAD/ CAM/ CAE umo liwia przeprowadzenie skomplikowanych, zaawansowanych analiz wytrzymało ciowych nowych prototypów. Istnieje konieczno realizacji oceny mo liwo ci implementacji technik informatycznych w procesie konstruowania i projektowania kluczowych elementów wpływaj cych na obci enie układów nap dowych. Bibliografia [1] Łukasiewicz M., Kałaczy ski T., Musiał J, Shalapko J. I.: Diagnostics of buggy vehicle transmission gearbox technical state based on modal vibrations, Journal of Vibroengineering, September Volume 16, Issue 6, Pages ( ). Numbers of Publications from 1359 to 1407, ISSN [2] Liss M., ółtowski B., Kałaczy ski T., Łukasiewicz M.: Naprawa powypadkowa a wła ciwo ci konstrukcji no nej pojazdów, Studia i Materiały Polskiego Stowarzyszenia Zarz dzania Wiedz, 2014, vol 68, s , ISSN X. [3] Łukasiewicz M., Kałaczy ski T., LISS M., Kanigowski J.: The Lms virtual.lab application in machines technical state analysis, Journal of Polish CIMAC Vol.9 No r. [4] Kałaczy ski T., Liss M., Łukasiewicz M., Sadowski A., Wojciechowski H.: Analiza metod badania turbospr arek pojazdów samochodowych, Logistyka 4/2015, s [5] Kałaczy ski T., Łukasiewicz M., Karolewski D., Badania wpływu układu klimatyzacji na parametry pracy pojazdów samochodowych, Studia i Materiały Polskiego Stowarzyszenia Zarz dzania Wiedz 2014, vol. 68, s , ISSN X. [6] Rutkowski A., Cz ci maszyn, Wydawnictwo Szkolne i Pedagogiczne., Warszawa [7] Wyle oł M., CATIA. Podstawy modelowania powierzchniowego i hybrydowego. Helion., Gliwice. [8] Sadowski A, ółtowski B, Kałaczy ski T., Kozłowski T.: Badania symulacyjne układu nap dowego samochodu ci arowego, Studia i Materiały Polskiego Stowarzyszenia Zarz dzania Wiedz, 2014, vol 69, s , ISSN X. [9] Salk Natalie., Metal injection moulding of Inconel 713C for turbocharger applications, Powder Injection Moulding International, Vol. 5, No. 3, [10] Wojciechowski H., Ocena wpływu parametrów turbospr arek na własno ci eksploatacyjne dla wybranych pojazdów samochodowych., Praca magisterska., Bydgoszcz [11] ółtowski B., Łukasiewicz M., Kałaczy ski T.: "Techniki informatyczne w badaniach stanu maszyn", Wydawnictwa Uczelniane Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego w Bydgoszczy, Bydgoszcz 2012r. [12] Dost p: [ ]. 73

13 T. Kałaczy ski, M. Łukasiewicz, J. Wilczarska, A. Sadowski, H. Wojciechowski Analiza wytrzymało ciowa łopatek turbiny w numerycznych modelach wirników turbospr arek THE MOVING BLADES STRENGH ANALYSIS OF TURBINE ROTORS IN SOLID MODELING Summary The paper presents the possibility of implementation of CAD / CAM / CAE in modeling process. Also shows the steps of turbochargers rotors numerical models development by CAD tools. The main part of the work description includes analysis of the rotor blades tensions and the verification of defection value. In addition presents the distributed tension formed by the reaction mass forces as well as the rotation of the rotor. The analysis was realized for different powertrains loads. Keywords: turbocharger, turbine blade, tension, solid modeling, informative technics Tomasz Kałaczy ski Marcin Łukasiewicz Joanna Wilczarska Andrzej Sadowski Hubert Wojciechowski Zakład Pojazdów i Diagnostyki Wydział In ynierii Mechanicznej Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy kalaczynskit@utp.edu.pl 74