Probabilistische Simulationen zur Entwicklung von Getriebekompressoren

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Inge Vogel
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1 Probabilistische Simulationen zur Entwicklung von Getriebekompressoren T. van Lil, M. Voigt; TU Dresden K. Metz, C. Wacker; MAN Diesel & Turbo SE

2 Gliederung Motivation Deterministisches Modell Simulation RGopt Dresden, DPW Folie 2

3 Motivation Aufbau: Zentrales Großrad Ritzelwellen Radiale Stufen Zwischenkühlung möglich Dresden, DPW Folie 3

4 Motivation Herausforderungen Mehrere Verlustquellen Getriebe und Verdichtungsprozess sind abhängig von einander Berücksichtigung stochastischer Streuungen der Umgebungsbedingungen sowie Fertigungstoleranzen Dresden, DPW Folie 4

5 Motivation Ziele Auslegungssystem automatisieren Einfluss stochastischer Streuungen untersuchen Zusammenhänge aufdecken Design verbessern Dresden, DPW Folie 5

6 Motivation Monte-Carlo-Simulation Dresden, DPW Folie 6

7 Deterministisches Modell Auslegungssystem erstellt aus Kombination der Verdichterauslegung Getriebeauslegung benötigten Verbindungsschritte Kontrolle von Grenzwerten Dresden, DPW Folie 7

8 Simulation Eingangsgrößen (Auslegung): Betriebsparameter Saugdruck, Saugtemperatur, Rückkühltemperatur, Druckverluste Fahrpunkte Enddruck, Massen- oder Volumenstrom Designparameter Stufenzahl Austrittsdurchmesser, Drehzahl Modul, Großraddrehzahl Dresden, DPW Folie 8

9 Simulation Eingangsgrößen (Robustheitsanalyse): Betriebsparameter Saugdruck, Saugtemperatur, Rückkühltemperatur, Druckverluste Fahrpunkte Enddruck, Massen- oder Volumenstrom Fertigungstoleranzen Ein- u. Austrittsdurchmesser (Nabe u. Gehäuse) Dresden, DPW Folie 9

10 Simulation Ergebnisgrößen: Gesamtwirkungsgrad Kupplungsleistung, innere Leistung (für jeden Fahrpunkt) Geometrische Abmessungen Schluckzahlen, Umfangsgeschwindigkeiten, Stufenwirkungsgrade, Getriebeverluste, Ölverbrauch, Teilkreisgeschwindigkeiten Dresden, DPW Folie 10

11 Simulation Ergebnisgrößen: Vergleich der Kupplungsleistung bei unterschiedlicher Stufenzahl Dresden, DPW Folie 11

12 RGopt Dresden, DPW Folie 12

13 Probabilistische Simulation zur Entwicklung von Getriebekompressoren Kolja Metz, Christian Wacker Calculation & Development / Oil & Gas Turbo Machinery Probabilistische Simulation zur Entwicklung von Getriebekompressoren MAN Diesel & Turbo < 13 >

14 Anwendungsfälle Bisher untersuchte Anwendungsfälle bei MAN Diesel & Turbo SE Auslegung von Standard-Getriebekompressoren für eine gegebene Verdichtungsaufgabe Nachrechung von Änderungen der Betriebsparameter (Robustheitsanalyse) Freie Optimierung eines Getriebekompressors für eine Verdichtungsaufgabe mit vorgegebenem Mengenbereich Probabilistische Simulation zur Entwicklung von Getriebekompressoren MAN Diesel & Turbo < 14 >

15 Standard-Getriebekompressoren Standard-Getriebekompressoren für Luftzerlegungsanlagen: Standard-Getriebe mit festen Drehzahlen Individuelle Laufräder Probabilistische Simulation zur Entwicklung von Getriebekompressoren MAN Diesel & Turbo < 15 >

16 Stufenwirkungsgrad Auslegung von StandardGetriebekompressoren Stufe : Hohe Stufenwirkungsgrade bei mittleren Volumenstromkoeffizienten (Phi) in Stufe 1-3 Hohe Stufenwirkungsgrade bei hohen Volumenstromkoeffizienten in Stufe 4-5 1: 2: ϕ= 3: V π 2 d 2 u2 4 4: 5: Volumenstromkoeffizient Phi Bei konstanter Drehzahl: ϕ~ Probabilistische Simulation zur Entwicklung von Getriebekompressoren 1 3 d2 MAN Diesel & Turbo < 16 >

Auslegung von StandardGetriebekompressoren Gesamtwirkungsgrad Hoher Gesamtwirkungsgrad bei mittleren Förderhöhen in Stufe 1-3 Hohe Gesamtwirkungsgrade bei niedrigen Förderhöhen in

17 Auslegung von StandardGetriebekompressoren Gesamtwirkungsgrad Hoher Gesamtwirkungsgrad bei mittleren Förderhöhen in Stufe 1-3 Hohe Gesamtwirkungsgrade bei niedrigen Förderhöhen in Stufe 4-5 y p = ( cu 2 u 2 cu1 u1 ) η Polytrope Förderhöhe yp y p ~ ( d 2 n) Probabilistische Simulation zur Entwicklung von Getriebekompressoren 2 MAN Diesel & Turbo < 17 >

Auslegung von StandardGetriebekompressoren Gesamtwirkungsgrad Hohe Gesamtwirkungsgrade bei mittleren Volumenstromkoeffizienten in Stufe 1-3 Hohe Gesamtwirkungsgrade bei

18 Auslegung von StandardGetriebekompressoren Gesamtwirkungsgrad Hohe Gesamtwirkungsgrade bei mittleren Volumenstromkoeffizienten in Stufe 1-3 Hohe Gesamtwirkungsgrade bei hohen Volumenstromkoeffizienten in Stufe 4-5 Volumenstromkoeffizient Probabilistische Simulation zur Entwicklung von Getriebekompressoren MAN Diesel & Turbo < 18 >

19 Nachrechnung von gebauten Maschinen hoch Kupplungsleistung Wirkungsgrad niedrig ca. 2% geschlossen Vorleitgitter Variation von Saugdruck (± 0,2 bar), Saugtemperatur (± 5 K) und Rückkühltemperatur (± 5 K) Hohe Wirkungsgrade bei Volllast Niedrige Wirkungsgrade im Teil- und Überlastbereich offen Menge Probabilistische Simulation zur Entwicklung von Getriebekompressoren MAN Diesel & Turbo < 19 >

20 Nachrechnung von gebauten Maschinen Kupplungsleistung Variation von Saugdruck (± 0,2 bar), Saugtemperatur (± 5 K) und Rückkühltemperatur (± 5 K) Großer Einfluss des Saugdrucks Menge Probabilistische Simulation zur Entwicklung von Getriebekompressoren MAN Diesel & Turbo < 20 >

21 Nachrechnung von gebauten Maschinen Variation von Saugdruck (± 0,2 bar), Saugtemperatur (± 5 K) und Rückkühltemperatur (± 5 K) Großer Einfluss der Rückkühltemperatur bei konstanter Menge und konstanter Vorleitgitterstellung Saugtemperatur Rückkühltemperatur Enddruck Temperatur Saugdruck Probabilistische Simulation zur Entwicklung von Getriebekompressoren MAN Diesel & Turbo < 21 >

22 Freie Kompressorauslegung hoch Variation von Laufraddurchmesser, Drehzahl und Modul. Kupplungsleistung Getriebeverluste niedrig Die Streuung der Getriebeverluste entspricht ca. 2 %Punkten Wirkungsgrad 2% polytroper Wirkungsgrad Probabilistische Simulation zur Entwicklung von Getriebekompressoren MAN Diesel & Turbo < 22 >

23 Freie Kompressorauslegung Variation von Laufraddurchmesser, Drehzahl und Modul. Probabilistische Simulation zur Entwicklung von Getriebekompressoren MAN Diesel & Turbo < 23 >

24 4. Ausblick Kontrolle rotordynamischer Eigenschaften Komplette Simulationskampagne Evaluierung der Ergebnisse Abschließen des Projekts Dresden, DPW Folie 24

25 Thank You for Your Attention! All data provided in this document is non-binding. This data serves informational purposes only and is especially not guaranteed in any way. Depending on the subsequent specific individual projects, the relevant data may be subject to changes and will be assessed and determined individually for each project. This will depend on the particular characteristics of each individual project, especially specific site and operational conditions. Probabilistische Simulation zur Entwicklung von Getriebekompressoren MAN Diesel & Turbo

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