Stáhnout pdf - turbostroje.cz

TechSoft Engineering ANSYS 2012 setkání uživatelů a konference
Případová studie – kontrola těsnosti dělící roviny skříně
radiálního turbokompresoru
Ing. Martin Laštovka
ČKD KOMPRESORY a.s.
Abstrakt: Příspěvek se zabývá použitím numerické simulace téměř na konci výrobního procesu kompresoru. Při
tlakové zkoušce skříně radiálního turbokompresoru, určeného do turbosoustrojí vyrábějící pyrolýzní plyn, je
vnitřní prostor uzavřen pomocí vík na všech připojovacích přírubách kompresoru. Po překročení provozních
hodnot, avšak před dosažením předepsaného zkušebního přetlaku, docházelo na některých částech styčných
ploch dílů k únikům média. Pro nalezení kritických míst byl proveden výpočet této skříně se zaměřením na
kontaktní plochu dělící roviny skříně a její těsnost. Vyhodnocením výsledků výpočtu byla popsána lokální tuhost
dílů a jejich deformace pod zatížením. Následně byla navržena nápravná opatření pro úspěšné provedení tlakové
zkoušky, konkrétně přidání O kroužků do kritických míst. Využitím výsledků numerických výpočtu se předešlo
možným chybám a omylům při frézovaní drážky v nesprávných pozicích, čímž byly ušetřeny nemalé finanční
prostředky. Tento případ také vedl k rozšíření objemu numerických výpočtů a revizi postupů při výpočtech skříní
ve fázi návrhu stroje.
Abstract: The paper deals with a numeric stimulation almost at the end of production procedure of a
compressor. At proof testing of a radial turbocompressor case made for chemical industry, an inner space is
closed by dummies at all connecting flanges. After exceeding operational measures, but before achievement of
prescribed overpressure, leaking of medium appears at some parts of liaison surfaces. The case under loading
was simulated with focusing on the contact surface of dividing plane and its tightness. By evaluation of the
results of calculation, local stiffness of parts and their deformation after loading was described. Afterwards
correcting actions for making a successful pressure testing were suggested, specifically adding the O rings into
critical areas. Using results of numeric calculations, possible mistakes made while milling a fillet at wrong
positions were excluded, along with that not small amount of costs was saved. This case study also leads to
improving of numeric calculations at case design process.
Klíčová slova: dělící rovina, těsnost, tlaková zkouška, skříň turbokompresoru
Keywords: dividing plane, tightness , proof testing, radial turbocompressor case
1. Úvod
Numerické simulace poskytují celou řadu možností, jak zefektivnit výrobní procesy. Nejčastější využití jsou
numerické simulace prováděné před zahájením samotné výroby tedy ve fázi návrhu daného zařízení či dílu.
Neméně zdatným pomocníkem pak jsou numerické simulace i při řešení větších či menších problémů při
samotné realizaci. Umožňují nám rychle analyzovat danou situaci a pomoci najít ideální řešení, k rychlé nápravě
daného problému.
TechSoft Engineering
2. MKP analýza
2.1
Popis řešeného problému
Při natlakování pracovního prostoru skříně radiálního turbokompresoru (dále TK) zobrazené na Obr. č. 1,
určeného do turbosoustrojí vyrábějící pyrolýzní plyn, docházelo při tlakové zkoušce k únikům média.
K identifikaci problémových míst byla provedena numerická simulace modelu skříně se zaměření právě na
těsnost dělící roviny.
Obr. č. 1 Skříň turbokompresoru při tlakové zkoušce
2.2
Popis modelu
Model řešené skříně je na Obr. č. 2. Vzhledem k asymetrickému rozložení sacích a výtlačných hrdel nebylo
možné zjednodušit úlohu pomocí rovin symetrie a bylo nutné řešit úlohu jako celek. Z kapacitních důvodů byl
model skříně maximálně zjednodušen. Byly odstraněny patky pro zvedání tělesa a všechny technologické otvory
ve skříni sloužící pro různé odběry. Také byl minimalizován počet drobných hran a plošek v modelu, aby se
předešlo zbytečnému zahušťování sítě v nevhodných oblastech. Víka skříně byla modelována zjednodušeně a
bez otvorů pro šrouby. Silové účinky od vík přírub byly nahrazeny příslušnou silou, která byla aplikována na
plochu nosného průřezu v daném místě. Šrouby stahující dělenou skříň k sobě nebyly modelovány, ale do
modelu byly zavedeny síly od předpětí těchto šroubů. V horní části skříně TK byly v dělící rovině ponechány
otvory pro šrouby včetně dosedacích ploch matic a ve spodní části skříně byla modelována plocha odpovídající
průměru šroubu a byla zapuštěna o 10mm (cca 1/2 4 závitů šroubu M90x4). Síla od předpětí šroubů byla
aplikována dle Obr. č. 3 – síla působí na dosedací plochu pod maticí na víku skříně a stejná síla působí proti ní
ze spodní části tělesa, kde je aplikována na již zmiňovanou zapouštěnou plochu. Hodnota síly je 3672kN –
součet předpětí od utažení momentem 3600Nm a následné pootočení šroubu o 54°. Na vnitřní plochy skříně byl
aplikován zkušební tlak 2,8MPa. Skříň byla pevně uchycena pomocí fixní okrajové podmínky Cylindrical
Support (zakázán posuv ve všech směrech) aplikované na dvě válcové plochy v místě šroubu na příslušných
patkách, v ostatních válcových plochách pro šroub na dvou zbylých patkách byl zakázán pouze axiální posuv.
Souhrnný pohled na aplikované okrajové podmínky je na Obr. č. 4. Víka byla přichycena pomocí pevného
kontaktu typu Bonded, v dělící rovině byl použit kontakt typu Frictionless. Kontakt v dělící rovině byl zvolen
asymetrický, pro snazší interpretaci výsledků těsnosti dělící roviny.
TechSoft Engineering ANSYS 2012 setkání uživatelů a konference
Obr. č. 2 Model řešené skříně TK
Obr. č. 3 Detail modelování zatížení od
předpětí šroubů
Obr. č. 4 Detail uchycení skříně TK
Obr. č. 5 Souhrnný pohled na okrajové
podmínky modelu
Materiálový model použitý pro skříň je zobrazen v následující Tab. 1.
Materiál
E [MPa]
µ
[kg/m3]
Re [MPa]
Rm [MPa]
A [%]
G20Mn5
200 000
0,30
7800
300
480
20
Tab. 1. Použité materiálové modely
Tang.
mod.
[MPa]
909
TechSoft Engineering
Obr. č. 6 Model řešené skříně TK
Obr. č. 7 Model řešené skříně TK
Vzhledem k velkým rozměrům skříně (3,7m x 3,4m x 3,3m) byl při síťování kladen důraz především na kvalitu
sítě v okolí dělící roviny. Na víka skříně byla použita hexa síť s velikosti elementu 50mm. Na zbylé části skříně
byly použity tetra elementy. Skřín samotná byla síťována hrubší sítí s velikostí elementu 100mm, pouze oblast
dělící roviny byla zjemněna pomocí funkce Contact Sizing s nastavením velikosti elementu 50mm a 20mm.
V oblasti sítě o velikosti 20mm byla navíc aplikována funkce Refinement s parametrem 2. Tato funkce zahustila
síť na kontaktní ploše dělící roviny. Celkový počet elementů v modelu je 1 473 054 tj. 2 088 002 uzlů. Většina
elementů jsou kvadratické tetrahedry typu Solid187 – 1 375 689. Kontaktních elementu je 83 583.
2.3
Výsledky MKP analýzy
Napětí a celková deformace skříně TK při tlakové zkoušce byla řešena samostatnou analýzou při návrhu stroje,
z tohoto důvodu byla hlavní pozornost při této analýze věnována zkoumané dělící rovině a její těsnosti. Na Obr.
č. 8 je zobrazeno rozložení kontaktního tlaku v dělicí rovině, kde oranžová barva značí nulovou hodnotu
kontaktního tlaku. Na Obr. č. 9 je zobrazena vůle v daném kontaktu. Vzhledem k vůli v řádu 10-2 mm je možnost
průsaku vody do oblasti s nulovým tlakem a dalšího případného rozevírání dělící roviny. Na Obr. č. 8 jsou pak
vyznačeny kontrolované oblasti, které budou následně porovnávány se skutečností. Na Obr. č. 10 až Obr. č. 13
jsou zobrazeny tlaky a vůle v detailech dvou z analyzovaných míst – víka kompresoru a oblasti přepážky.
TechSoft Engineering ANSYS 2012 setkání uživatelů a konference
Kontrolovaná místa
Obr. č. 8 Kontaktní tlak v dělící rovině
Obr. č. 9 Vůle v kontaktu v dělící rovině
Obr. č. 10 Kontaktní tlak v dělící rovině – detail
místa u víka
Obr. č. 11 Vůle v kontaktu v dělící rovině – detail
místa u víka
TechSoft Engineering
Přepážka
Obr. č. 12 Kontaktní tlak v dělící rovině – detail
místa s přepážkou
Obr. č. 13 Vůle v kontaktu v dělící rovině – detail
místa s přepážkou
3. MKP analýza vs. realita
Oranžová barva na Obr. č. 8 značící oblast s nulovou hodnotou kontaktního tlaku velmi přesně kopíruje oblast na
které ve skutečnosti došlo k proniknutí vody. Je zde vidět, že voda neprosákla přes dělící rovinu a šrouby – toto
spojení je dostatečně dimenzováno. Průsak nastal jednak přes dělící přepážku a pak také u vík skříně, kde
geometrie skříně nedovolila těsnící drážku vyrobit do patřičné vzdálenosti. Detail těchto místa je na Obr. č. 10 a
Obr. č. 12. Při srovnání simulace a reálného chování skříně můžeme říci, že výsledky simulací jsou ve velmi
dobré shodě s realitou a provedené zjednodušení modelu je možné použít i v dalších analýzách. Jde zejména o
zjednodušení zatížení od předpětí šrouby v dělící rovině, bez nutnosti tyto šrouby modelovat.
4. Náprava
Pro zamezení průsaku tlakovacího media přes dělící rovinu byly do dělící roviny vyfrézovány drážky pro těsnící
O kroužek. Detail polohy drážek je na Obr. č. 14 a na Obr. č. 15. Drážky u vík zabraňovaly průsakům přes víko,
případně zlepšovaly jeho těsnost, další drážky u přepážky uvnitř tělesa zabraňovaly možnému „obtečení“ dané
přepážky. Těsnící O kroužek byl zvolen FKM 70 VITON 3mm.
TechSoft Engineering ANSYS 2012 setkání uživatelů a konference
Obr. č. 14 Polohy drážek pro těsnící O kroužek
Obr. č. 15 Poloha drážek pro těsnící O kroužek
v místě přepážky – detail
5. Závěr
Výsledky numerických výpočtů odpovídají reálnému chování skříně při tlakové zkoušce. Je tedy možné dle
simulací upravit stávající geometrii tak, abychom zamezily nežádoucím jevům s tím, že toto řešení vykazuje
vysokou pravděpodobnost odstranění řešeného problému. Po opětovném natlakovaní skříně turbokompresoru již
nedocházelo k nežádoucímu průsaku tlakovacího média. Díky výrobě drážek v polohách určených na základě
MKP analýzy se předešlo možným chybám a omylům při jejím frézovaní v nesprávných pozicích, čímž byly
ušetřeny nemalé finanční prostředky. Tato zkušenost nás vedla k rozšíření objemu numerických výpočtů a revizi
postupů při výpočtech skříní turbokompresorů s horizontální dělící rovinou v počátečních fázích návrhu stroje.
V tomto konkrétním případě se ukázalo nahrazení šroubového spoje pouze vhodně umístěnými silami jako
dostatečné a odpovídalo velmi dobře realitě. Pro obecnější použití tohoto principu je zapotřebí ještě dalších
srovnávacích analýz.
Při zpracování analýzy byly úspěšně použity funkce pro zjednodušení modelu, jako jsou funkce Slice, Face
Delete, Merge a další v modulu Desing Modeler. Pomocí těchto funkcí došlo ke zjednodušení modelu pro tvorbu
kvalitnější sítě a snížení počtu elementů. Jako velmi užitečná funkce při tvorbě sítě na takto složité geometrie se
ukázala funkce Contact Sizing a také funkce Refinement, díky kterým bylo možno snáze modifikovat síť
v analyzované oblasti dělící roviny. Přesto příprava modelu a odladění sítě pro dané kapacitní možnosti
hardwaru zabrala velmi podstatnou část práce na této analýze. Nelineární výpočet této úlohy zabral na pracovní
stanici s operačním systémem linux cca 130h při použití paralelizace výpočtu na 4 procesory.
TechSoft Engineering