22. Schweizer CADFEM ANSYS Simulation Conference 2017 Resonanzfreie Auslegung eines Radialkompressor- Laufrades mit ANSYS und optislang

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Ingeborg Schmid
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1 22. Schweizer CADFEM ANSYS Simulation Conference 2017 Resonanzfreie Auslegung eines Radialkompressor- Laufrades mit ANSYS und optislang M. Kramer Business Unit Oil & Gas MAN Diesel & Turbo Schweiz AG MAN Diesel & Turbo Ph. Jenny Vortrag Engineering Info: FSI Rechnung YANTAI < 1 >

2 Disclaimer All data provided on the following slides is for information purposes only, explicitly non-binding and subject to changes without further notice. < 2 >

3 MAN Zürich wer sind wir? < 3 >

4 MAN Zürich wer sind wir? Kompetenzen Design & Engineering Forschung & Erprobung Fertigung & Montage Service < 4 >

5 Wie kann MAN ein Kompressor- Laufrad resonanzfrei ausgelegen? < 5 >

6 Contents 1 Zielsetzung 2 3 Anregung Schwingungen mit zyklischer Symmetrie 4 Randbedingungen 5 Modellbildung 6 Berechnung / Optimierung (ANSYS / optislang) 7 Zusammenfassung < 6 >

7 1. Zielsetzung Ziel: Erhöhung Leistungsdichte Höhere Drehzahl Höherer Volumenstrom - Erhöhung der Umfangsgeschwindigkeit - Erhöhung Volumenstrom - Vergrösserung des Betriebsbereiches - Resonanzfreier Betrieb erste Stufe - < 7 >

8 Contents 1 Zielsetzung 2 3 Anregung Schwingungen mit zyklischer Symmetrie 4 Randbedingungen 5 Modellbildung 6 Berechnung / Optimierung (ANSYS / optislang) 7 Zusammenfassung < 8 >

9 2. Anregung Belastungen für Laufräder Statische Last (Fliehkraft) Dynamische Last Anregung durch Statorteile vor und nach Laufrad (Vorleitgitter und Diffusor) Anregung Prozess (Stabilitätsgrenze, Pumpen, Schluckgrenze, ) Auslegung basiert auf Erfahrung und Dehnungsmessungen im Betrieb Anregung Diffusor < 9 >

10 Contents 1 Zielsetzung 2 3 Anregung Schwingungen mit zyklischer Symmetrie 4 Randbedingungen 5 Modellbildung 6 Berechnung / Optimierung (ANSYS / optislang) 7 Zusammenfassung < 10 >

Sektoren zerlegt werden - Berechnung eines Sektors ausreichend -

11 3. Schwingungen mit zyklischer Symmetrie Laufräder sind zyklisch- symmetrische Strukturen - Zyklische Strukturen können in identische Sektoren zerlegt werden - Berechnung eines Sektors ausreichend - Effizientere Berechnung - Einfacheres Postprocessing - Weniger Speicher - < 11 >

12 Frequenz Anregung (harmonische) 3. Schwingungen mit zyklischer Symmetrie Interferenz -Diagramm Eigenfrequenzen (vs Knotendurchmesser) Anregungsfrequenz (vielfache Drehfrequenz) Mögliche Erregung durch Vorleitgitter und Diffusor Resonanz wenn: n N V ± d m N B = integer Knotendurchmesser f_anregung = f_ef < 12 >

Messung) - Drehzahlbereich gegeben Anregung

13 3. Schwingungen mit zyklischer Symmetrie Konkreter Fall: - Eigenfrequenz und Modeshape bekannt (FEA, Messung) - Drehzahlbereich gegeben Anregung (Statorteile) 5 (!) Eigenfrequenzen im Resonanzbereich < 13 >

14 3. Schwingungen mit zyklischer Symmetrie Mögliche Lösungen: - Kein Vorleitgitter oder unbeschaufelter Diffusor - Drehzahlbereich verkleinern - Eigenfrequenzen verschieben - Anregungsfrequenz anpassen (Schaufelzahl Statorteile) < 14 >

15 Contents 1 Zielsetzung 2 3 Anregung Schwingungen mit zyklischer Symmetrie 4 Randbedingungen 5 Modellbildung 6 Berechnung / Optimierung (ANSYS / optislang) 7 Zusammenfassung < 15 >

Mechanische Anforderungen Festigkeit für max.

16 4. Randbedingungen / Restriktionen 1. Aerodynamische Anforderungen Keine Änderung der Strömungswinkel (aerodynamische Auslegung) Laufrad mit Splitterschaufeln (mehr Flow) 2. Mechanische Anforderungen Festigkeit für max. Drehzahl gewährleisten Resonanzfreiheit (Abstand zu umgebenden Eigenfrequenzen) < 16 >

17 Contents 1 Zielsetzung 2 3 Anregung Schwingungen mit zyklischer Symmetrie 4 Randbedingungen 5 Modellbildung 6 Berechnung / Optimierung (ANSYS / optislang) 7 Zusammenfassung < 17 >

18 5. Ablauf / Modellbildung Klassischer Prozess Modell Änderungen < 18 >

Optimierer (Modalanalysen) Robustheit Mechanische Grenzen (Festigkeit) Eigenfrequenzen

19 5. Ablauf / Modellbildung Beschleunigter Prozess Aerothermodynamische Grenzen (Performance) Aerothermodynamische Auslegung (Basismodell) Parametrisierung mit Grenzen Basismodell Optimierer (Modalanalysen) Robustheit Mechanische Grenzen (Festigkeit) Eigenfrequenzen gekoppelt Mehrere Anregungen Grosser Drehzahlbereich Komplexe Geometrie manuelle Lösung mühsam (unmöglich) < 19 >

20 Contents 1 Zielsetzung 2 3 Anregung Schwingungen mit zyklischer Symmetrie 4 Randbedingungen 5 Modellbildung 6 Berechnung / Optimierung (ANSYS / optislang) 7 Zusammenfassung < 21 >

21 FRQ 6. Berechnung / Optimierung Optimierungsziel: Grösstmöglicher Abstand Eigenfrequenzen zu Anregungen keine Resonanzen Constraint EF 10 KND 3 keine Resonanz EF 9 KND 3 keine Resonanz EF 3 KND 2 keine Resonanz Objective Maximierung der Frequenzfenstergrössen KND < 22 >

22 EF3 KND2 EF9 KND3 EF10 KND3 6. Berechnung / Optimierung Sensitivitätsanalyse 500 Parameter Varianten (12 Parameter) EF9 KND3 EF10 KND3 EF3 KND2 Lösung mit einem Diffusor (Schaufelzahl) nicht möglich Zwei Diffusoren mit unterschiedlicher Schaufelzahl / zwei Drehzahlbereiche < 23 >

23 Fenstergrösse 6. Berechnung / Optimierung Optimierung Best Designs aus Sensi als Startdesign EA global EA local Zulässige Designs Unzulässige Designs NLPQL Berechnete Designs Rechenaufwand: 1800 Designs x 2min = 3Tage (130 GB RAM und 14 Cores) Lösung < 24 >

24 6. Berechnung / Optimierung Optimum: 2 Bereiche mit maximaler Gesamt- Frequenzfenstergrösse 25x 24x Unterer Drehzahlbereich Oberer Drehzahlbereich < 25 >

25 Contents 1 Zielsetzung 2 3 Anregung Schwingungen mit zyklischer Symmetrie 4 Randbedingungen 5 Modellbildung 6 Berechnung / Optimierung (ANSYS / optislang) 7 Zusammenfassung < 26 >

26 7. Zusammenfassung Kann MAN ein Kompressor- Laufrad resonanzfrei ausgelegen? MAN kann mit ANSYS und optislang Für resonanzfreien Betrieb: Eigenfrequenzen und Anregungsfrequenzen verschieben Erstellung robustes parametrisches Modell (inklusive Grenzen) wichtige Basis für Optimierung Verschiebung vieler Eigenfrequenzen für grossen Betriebsbereich von Hand mühsam Optimierer Anpassung Prozess für Optimierung notwendig Lösung: Radform optimiert auf zwei anknüpfende Drehzahlbereiche mit zwei Diffusoren < 27 >

22. Schweizer CADFEM ANSYS Simulation Conference 2017 M. Kramer max.

27 22. Schweizer CADFEM ANSYS Simulation Conference 2017 M. Kramer Business Unit Oil & Gas MAN Diesel & Turbo Schweiz AG < 28 >

28 Disclaimer 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. MAN Diesel & Turbo M. Kramer CADFEM ANSYS Simulation Conference < 29 >

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