Frischluftventilator für Kohlekraftwerk: Torsionsanalyse auslegungsrelevanter Umschaltvorgänge des Antriebes. Rotordynamik. mit

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1 Frischluftventilator für Kohlekraftwerk: Torsionsanalyse auslegungsrelevanter Umschaltvorgänge des Antriebes Rotordynamik mit ANSYS 13.0 vs MATLAB/Simulink 1

2 1 - Executive Summary 2 - Rotordynamik Vorbemerkungen 3 - Untersuchtes System 4 - Rotordynamik mit ANSYS 5 - Rotordynamik mit MATLAB 6 - Ergebnisse und Auswertungen 7 - Vergleich Ergebnisse 2

3 1 Executive Summary Ausgangslage Für hohe Verfügbarkeit der Frischluft- und Abluftventilatoren ist entsprechende Engineering- und Auslegungssicherheit erforderlich Frischluftventilator 3

4 1 Executive Summary Ausgangslage In jüngerer Vergangenheit aufgetretene Schadensfälle Es fehlt an Evidenz in der Beurteilung von Lieferanten- Simulationen. Lieferanten arbeiten mit Simulationstools unterschiedlicher Flexibilität und Güte Auslegungsrelevant sind die Torsionsmomente bei den (transienten) Umschaltvorgängen des Antriebes: Anfahren 2-poliger Klemmenkurzschluss 3-poliger Klemmenkurzschluss Netzumschaltung. 4

5 1 Executive Summary Aufgabenstellung Auslegungen von Ventilatorenlieferanten neutral überprüfen Ergebnis Ergebnisse mit 2 verschiedenen Tools, ANSYS und MATLAB, sind nahezu identisch keinerlei Abstimmungen zwischen den beiden Tools durch Paramterkorrekturen erforderlich Lieferanten sind mit Arbeits- und Verfahrensanweisungen zuverlässig lenkbar 5

6 2 Rotordynamik einige Vorbemerkungen Rotor (Elastische) Wellenstruktur Lagerung Dichtungen Anregungen, Lasten Typische Elemente Punktmasse / Massenträgheit Gyroskopische Effekte Masse/Massenträgheit Gyroskopische Effekte Starr/elastisch Isotrop/anisotrop Dämpfung Steifigkeitsbeitrag Dämpfungsbeitrag Unwuchten, Schrägstellungen Äussere Kräfte, Momente Fluidkopplungen 6

7 2 Rotordynamik einige Vorbemerkungen Grundarten von Schwingungen Biege- und Kreiselschwingungsformen 7

8 2 Rotordynamik einige Vorbemerkungen Torsionsschwingungen Grundarten von Schwingungen 8

9 2 Rotordynamik einige Vorbemerkungen Typische Fragestellungen Kritische Drehzahlen (Drehfrequenz = Eigenfrequenz) Modalanalyse Campbell-Diagramm (Eigenfrequenz-Drehzahl-Diagramm) Torsionseigenfrequenzen sind in der Regel nicht drehfrequenzabhängig 9

10 2 Rotordynamik einige Vorbemerkungen Typische Fragestellungen Modalanalyse Stabilitätsaussage (Dämpfungs-Drehzahl-Diagramm, Orbit-Plot) Normierte Systemantwort (Amplituden-Drehzahlverläufe) Systemantwort auf äussere Kräfte Unwucht-/Schrägstellungskräfte Anregungen, z.b. von Antrieben, Getrieben 10

11 3 Untersuchtes System Lüfterrad Stufe 1 Prinzipieller Gebläse-Aufbau Saugseite Kupplung ASM Druckseite 11

12 3 Untersuchtes System Maschinendyamisches Grobmodell Lüfterrad Stufe 2 Zwischenwelle Lüfterrad Stufe 1 Kupplung ASM 12

13 3 Untersuchtes System Auslegungsrelevante Lastfälle Anfahrvorgang 2-poliger Klemmenkurzschluss 3-poliger Klemmkurzschluss Netzumschaltung bei 100% Restspannung Diese Vorgänge sind transient Für die Auslegung relevant sind die Torsionsmomente in Motor-Gebläse-Kupplung und Zwischenwelle. Denn die zulässigen Torsionsmomente werden dem Gebläselieferanten vom Unterlieferanten Kupplungshersteller global mitgeteilt. M D ( ) 0 t t = MA MB e cos( ω t + ϕ 0 ) 13

14 3 Untersuchtes System Lastmoment Gebläse n n M L( n) = + ) 2 n d ( M O MU ) sgn( n MU 14

15 4 Rotordynamik mit ANSYS Modell Erläuterung Vorteile Nachteile Voll 3D- Modell Modellart Vollständige, komplexe 3-D Geometrie z.b. mit Schaufelblättern Genaue Abbildung, Detailspannungen Rechenzeit 2-D Modell 2-D-Querschnitt der Geometrie, geometrische Vereinfachungen, für rotationssymmetrische Teile Verringerung der Rechenzeit zum Voll-3-D Modell Ggf. Verlust von Detailspannungen Nur ANSYS Classic Balken- Modell Liniengeometrie, Massen als Massepunkte mit Trägheiten Sehr geringe Rechenzeit Keine Detailspannungen 15

16 4 Rotordynamik mit ANSYS Elementtypen MASS 21: Einbringen von Massen und Trägheiten in das Modell COMBIN14: Balkenelemente miteinander verbinden, Steifigkeit sowie Dämpfung einstellen. 16

17 4 Rotordynamik mit ANSYS Einbringen der Lastmomente Lastmomente über Tabellen Aufgrund des Lastmomentverlaufs des Antriebes ist transiente Berechnung erforderlich. 17

18 4 Rotordynamik mit ANSYS Durchgeführte Simulationen 18

19 4 Rotordynamik mit ANSYS Simulationsergebnis ANSYS Hauptergebnisse Zeitlicher Verlauf der Torsionsmomente Eigenfrequenzen 19

20 5 Rotordynamik mit MATLAB Grundlagen für das MATLAB-Modell 20

21 5 Rotordynamik mit MATLAB MATLAB-Modell des Dreimassenschwingers 21

22 5 Rotordynamik mit MATLAB MATLAB-Modell des Anfahrmomentes Die Kennlinie des Anfahrmomentes ist in drei Bereiche Unterteilt (schlupfabhängig) 22

23 5 Rotordynamik mit MATLAB Simulationsergebnis MATLAB (selbst programmierte Plots) Hauptergebnisse Zeitlicher Verlauf Torsionsmomente Eigenfrequenzen 23

24 6 Ergebnisse und Auswertungen Vergleich Torsionsmoment Anfahren, ungedämpft 24

25 6 Ergebnisse und Auswertungen Vergleich Torsionsmoment Anfahren, gedämpft 25

26 7 Vergleich Ergebnisse Vorteile/Nachteile Bewertung/Vergleich Torsionsmoment Die errechneten Werte der Torsionsmomente sind für beide Tools nahezu identisch, ohne durch Einstellungen an Parameterwerten Korrekturen vornehmen zu müssen. Für diese Aufgabenstellung mit nur geringen Fehlermöglichkeiten bieten beide Tools auf völlig unterschiedlichen Wegen unmittelbar gut Ergebnisse. Für Anwender in der Dynamik-Auslegung gilt: es dürfen hier keine Abweichungen bei Verwendung unterschiedlicher Tools auftreten. Lieferanten können durch entsprechend detaillierte Verfahrensanweisungen zuverlässig gelenkt werden 26

27 7 Vergleich Ergebnisse Vorteile/Nachteile Vergleich Simulationstools System Klassische Simulation Finite Elemente Methode Anforderung Berechnungsgleichungen Geometrieeingabe MATLAB/Simulink System von DGLn selber herleiten, auf das Problem zugeschnitten Parameter in DGLn / RB Nur globale Geometrieeingabe handelbar (Punktmassen mit Massenträgheit) ANSYS DGLn und Algorithmen vorhanden, Projektspezifika werden an der Bedieneroberfläche eingegeben Verwendung der CAD- Geometrie möglich. Zusammen mit Auto- Meshing geringe Modellierungszeit. 27

28 7 Vergleich Ergebnisse Vorteile/Nachteile Vergleich Simulationstools System Anforderung RB, Lasten, Lagerungen, Kontaktbedingungen Klassische Simulation MATLAB/Simulink Müssen in die DGLn eingebracht werden bzw. als separate Modelle mit dem Grundmodell verknüpft werden Finite Elemente Methode ANSYS Vordefinierte Eingabe-Verfahren und -Masken Bedienung DGLn, RB und Kräfte in Blockschaltbilder umsetzen Bedieneroberfläche ähnlich CAD-Software Mächtiges Tool/komplexer Aufbau der Bedieneroberfläche 28

29 7 Vergleich Ergebnisse Vorteile/Nachteile Vergleich Simulationstools System Klassische Simulation Finite Elemente Methode Anforderung EDV-Systemanforderungen MATLAB/Simulink Gering ANSYS Hoch Rechenzeiten Gering projektspezifisch Ergebnisse Ergebnis ist Programmierungsabhängig Es sind aber nur globale Ergebnisse sinnvoll erzielbar Kritische Drehzahlen, Unwuchtamplituden, Modalanalyse, Stabilitätsaussagen/Orbit, Detailspannungen, Verformungen, Lager- Belastungen, Fluid- Struktur-Kopplung 29

30 7 Vergleich Ergebnisse Vorteile/Nachteile Vergleich Simulationstools System Klassische Simulation Finite Elemente Methode Anforderung Darstellung MATLAB/Simulink programmierbare Plots, programmierbare Benutzeroberfläche ANSYS Vordefinierte Befehle und Buttons für die Darstellung aller relevanten Ergebnisse 3D-Darstellung von Spannungen und Verformungen Plots Eigenfrequenzen (Campbell-Diagramm) usw. Universalität

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