Experimentální a numerické modelování nové řady stupňů radiálních kompresorů

Transkript

1 Turbostroje 2015 Experimentální a numerické modelování nové řady stupňů radiálních kompresorů Richard Matas 1, Tomáš Syka 2, Jindřich Kňourek 3, Ondřej Luňáček 4, Jaroslav Mráz 5 Abstrakt: Příspěvek přehledovým způsobem shrnuje experimentální a numerické modelování při ověřování vlastností nově navržené řady stupňů pro radiální kompresory. Jde o průběžné výsledky programu výzkumu a vývoje s cílem vyvinout novou řadu radiálních kompresorových stupňů určených především pro procesní kompresory. Příspěvek popisuje měření na zkušebním kompresoru DARINA a simulace pomocí SW NUMECA FINE/Turbo a ANSYS CFX a porovnání výsledků. Jsou stručně shrnuty dosavadní zkušenosti při měření a vyhodnocení charakteristik kompresorových stupňů i lokálních veličin a nastíněny některých problémy vzniklé při provádění experimentů a jejich řešení. Velmi stručně je také zmíněno nastavení a ladění numerických modelů pro simulace těchto stupňů. Klíčová slova: Radiální kompresor, zkušebna, měření teplot, měření tlaků, CFD, charakteristika, účinnost 1. Úvod Společnost Howden ČKD Compresors s.r.o. (dále HČKD) dodává radiální turbokompresory pro nejrůznější použití na stlačování a dopravu prakticky všech technických plynů o výkonnosti až do m3/h s tlakem na výtlaku do 20 MPa. Tento příspěvek volně navazuje na článek publikovaný na konferenci před dvěma lety (Luňáček, 2013), kde je možno najít řadu základních informací, a týká se projektu vývoje stupňů radiálních turbokompresorů používaných v procesních kompresorech. Cílem tohoto projektu je vyvinout novou řadu stupňů s optimalizovanými parametry tak, aby bylo dosaženo vysoké konkurenceschopnosti zařízení a byla snížena energetická náročnost provozu. Tento projekt je řešen v HČKD ve spolupráci se společností PCA Engineers Limited a s podporou Západočeské univerzity v Plzni. Při řešení jsou využívány moderní návrhové a výpočetní metody doplněné CFD simulacemi pomocí systému ANSYS CFX v kombinaci s experimentálním měřením na funkčních vzorcích navržených stupňů. Unikátní vývojová zkušebna kompresorových stupňů zaměřená na oblast proudění v průtočných částech radiálních turbokompresorů byla uvedena do plného provozu a její výsledky jsou používány pro vytvoření návrhových podkladů. Na zkušebně je prováděno měření charakteristik stupňů radiálních kompresorů na funkčních vzorcích. Část uváděných prací probíhala za podpory 1 Západočeská univerzita v Plzni, NTC/MIS, Univerzitní 8, Plzeň, mata@ntc.zcu.cz 2 Západočeská univerzita v Plzni, NTC/MIS, Univerzitní 8, Plzeň, tsyka@ntc.zcu.cz 3 Západočeská univerzita v Plzni, NTC/MIS, Univerzitní 8, Plzeň, knourek@ntc.zcu.cz 4 Howden ČKD Compressors s.r.o., Klečákova 347, Praha 9, ondrej.lunacek@howden.com 5 Howden ČKD Compressors s.r.o., Klečákova 347, Praha 9, jaroslav.mraz@howden.com

2 TechSoft Engineering projektu MPO TIP, který byl ukončen k a v současné době probíhá jeho vyhodnocení. Díky podpoře tohoto projektu byla na ZČU provedena řada kontrolních, doplňujících a rozšiřujících simulací kompresorových stupňů pomocí programu NUMECA FINE/Turbo. 2. Experimentální ověření Experimentální ověřování parametrů navržených stupňů je prováděno na zkušebním dmychadle s výměnnou průtočnou částí. Dmychadlo je umístěno na společném rámu s měřičem točivého momentu a převodovkou. Soustrojí je spojeno s poháněcím elektromotorem o maximálním příkonu 1,2 MW a možností plynulé změny otáček prostřednictvím frekvenčního měniče. Vlastní chod soustrojí je řízen odděleným řídicím systémem umožňujícím nastavení požadovaných parametrů otáček dmychadla a prostřednictvím regulační armatury na výtlaku i průtočného množství. Dále jsou sledovány teploty ložisek a vibrace soustrojí a okruhy chladicí vody a mazacího oleje ložisek. Dmychadlo má letmo uložené oběžné kolo o průměru D 2 = 440 mm a umožňuje provoz v rozsahu měřících otáček od do otáček za minutu. Systém je z hlediska oběhu vzduchu koncipován jako otevřená vzduchová smyčka. Sací i výfuková větev jsou vybaveny výměnnými měřicími clonami s možností měření průtoků až do kg/hod. Ve výtlačném potrubí je umístěna regulační armatura pro nastavení aerodynamického odporu tratě a tím i změnu provozního režimu. Celkový pohled na zařízení je na obrázku 1. Obr 1. Experimentální zkušebna se zkušebním dmychadlem DARINA Na zkušebním zařízení je možno testovat oběžná kola v širokém rozsahu hltností. Obrázek 2 ukazuje dva typické funkční vzorky oběžných kol. Vlevo je kolo s tzv. 3D lopatkami, vpravo pak kolo s 2D lopatkami pro menší hltnosti. V současné době je proměřena prakticky celá řada stupňů

3 Turbostroje 2015 s bezlopatkvým difuzorem. V další etapě budou experimentálně zkoumány stupně s malou hltností a lopatkovým difuzorem. Malé hltnosti stupňů bude přizpůsobena i měřicí trať s clonami. 2.1 Měřící zařízení Obr. 2 Ukázka měřených funkčních vzorků kol s různou hltností Měřící zařízení experimentální zkušebny je poměrně komplikované a umožňuje sběr dat v širokém rozsahu. Systém umožňuje měření celkových a statických tlaků a teplot v každé z komponent kompresorového stupně v oběžném kole, v difuzoru i ve vratném kanále. Jde o více než 120 tlakových a 50 teplotních sond. V měřících rovinách na vstupu a výstupu jsou umístěny násobné sondy celkových teplot a tlaků, vnitřní roviny stupně jsou vybaveny jednoduchými sondami, viz obrázek 3. Dále jsou sledovány diferenční tlaky a teploty na clonách, teploty stěn kompresoru, teploty a průtok mazacího oleje, krouticí moment a další pomocné veličiny. Měřicí systém je doplněn o dvě tříotvorové sondy umístěné na ručním traverzéru v rovině před vratnými lopatkami (obr. 4) a dva rychlé snímače statického tlaku na konci difuzoru pro snímání dějů při přechodu stupně do pumpáže. Obr. 3 Měřící roviny stupně a ukázka násobných a jednoduchých sond Srdcem celého zařízení je měřící ústředna, viz opět obrázek 4, přes niž jsou vedena všechna data do měřícího počítače. Měřící počítač shromažďuje veškerá data, u vybraných veličin je prováděno časové středění a případně další úpravy. Naměřená data jsou přenášena do vyhodnocovacího programu, kde jsou prováděny korekce, zpracování a vyhodnocení požadovaných veličin. Všechny charakteristiky jsou pomocí bezrozměrných veličin přepočítávány na tzv. garantovaný stav a archivovány. Tyto charakteristiky pak slouží pro vytvoření návrhových podkladů pro dodávané vícestupňové kompresory HČKD. V současné době také probíhá testování nově vyvinutého komplexního měřícího a vyhodnocovacího programu, jenž by měl významným způsobem zkvalitnit, zpřesnit a zefektivnit proces měření, vyhodnocování a archivace naměřených dat experimentálního dmychadla s možností použití i pro zkoušení vyráběných vícestupňových kompresorů.

4 TechSoft Engineering tříotvorová sonda Obr. 4 Detail vyvedení signálů ze stroje, tříotvorových sond (vlevo) a pohled na snímače tlaku a měřící ústřednu (vpravo) 3. Numerické simulace Velmi důležitým nástrojem při návrhu a ověřování stupňů jsou numerické simulace. Pro získání charakteristik stupňů a získání vlastností proudových polí je v HČKD používán programový systém ANSYS CFX. Modely stupňů v tomto systému jsou průběžně upravovány a jejich parametry optimalizovány, aby byla vylepšena shoda s experimentálním měřením. Jde například o zahrnutí vlivu ucpávek a s tím spojené zpřesnění výpočtu ztrát. V současné době je většinou rozdíl oproti experimentálně zjištěným hodnotám do 3 % v základních parametrech. Rezervy CFD simulací jsou především u přechodu stupně do nestability a pro některé specifické geometrické tvary a provozní stavy. Ukázka modelu stupně v systému ANSYS CFX, proudové pole a porovnání s experimentálním měřením je na obrázku 5. Obr. 5 Model a CFD simulace ANSYS CFX a porovnání s experimentem a modelem NUMECA FINE/Turbo

5 Turbostroje 2015 Na obrázku 5 uvedené stupně patří k těm, kde shoda ve výsledcích byla velmi dobrá. Je vynesena rovněž charakteristika stupně s 2D oběžným kolem získaná pomocí sw NUMECA FINE/Turbo na ZČU. Rovněž u tohoto CFD systému probíhalo hledání nejvhodnějších parametrů modelu, ať už se jednalo o výpočetní síť (kvalita, hustota), nastavení řešiče nebo model turbulence. To, že např. volba modelu turbulence dokáže významně ovlivnit výsledky, je možno posoudit z obrázku 6, kde je možno vidět porovnání proudových polí v oblasti difuzoru pro dva odlišné modely turbulence pro stejný stupeň s 3D lopatkami s totožnými okrajovými podmínkami s modely turbulence SST k-ω a EARSM. Obr. 6 Porovnání proudových polí v difuzoru (vlevo SST k-ω, vpravo EARSM) U simulací s modelem SST k-ω dochází k masivnímu odtržení proudu od krycí stěny kanálu a toto odtržení se nese až do oblouku před vratnou částí stupně, kde významně ovlivňuje úhel náběhu do statorových lopatek vratného kanálu. V případě modelu EARSM také dojde k odtržení proudu stlačovaného plynu od krycí stěny, které ovšem není tak velké a ještě v oblasti difuzoru se proud přimkne zpět ke stěně. Zde je možno uvedené doložit porovnáním naměřených a vypočtených úhlů na vstupu do vratných lopatek v závislosti na použité konfiguraci CFD modelu. Z grafů na obrázku 7 je na první pohled zřejmé, že ovlivnění náběžného úhlu do vratného kanálu je v případě modelu SST k-ω opravdu značné. K přibližné shodě výpočtu s měřením dochází pouze v pozici 2, což je střed výšky kanálu. Při použití modelu turbulence EARSM bylo dosaženo výrazného zlepšení situace a odchylky mezi výpočtem a měřením jsou ve všech třech případech velmi malé. Obr. 7 Porovnání vypočteného úhlu náběhu do lopatek vratného kanálu s naměřenými hodnotami pro různé konfigurace CFD modelu pro ot/min

6 TechSoft Engineering Z důvodu dosažení lepších výsledků při numerických simulacích proudění v tvarově složitých 3D stupních je jako důvěryhodnější považován model turbulence EARSM. Na druhou stranu jsou známy konkrétní situace z jiných odvětví, kdy model EARSM nesprávně predikuje odtržení od stěny, a tím pádem byly numerické simulace pro kontrolu výsledků také řešeny s modelem turbulence SST k-ω. 3.1 Vliv některých geometrických prvků na proudová pole Poměrně velký rozsah projektu byl věnován vlivu geometrických úprav na proudová pole. Na toto téma byla vypracována i disertační práce (Syka, 2015), kde jsou jednotlivé geometrické vlivy podrobně rozebrány. Analýza se v prvé řadě týkala vlivu konstrukčních prvků, tedy ucpávek a přechodových rádiusů (zaoblení na přechodu kotoučů a lopatky) kompresorového stupně. Ukázky geometrií a výpočetních sítě modelu s ucpávkami a i přechodovými rádiusy jsou na obrázcích 8 a 9. Výpočetní síť při zahrnutí ucpávek i rádiusů je pak poměrně komplikovaná a počet buněk narůstá i při uvažování pouze jednoho segmentu oběžného kola i vratných lopatek vysoko nad 10 miliónů, což významně zpomaluje jak přípravu sítě, tak vlastní výpočet. Obr. 8 Geometrie stupně s uvažováním vnitřních ucpávek oběžného kola (vlevo) i přechodových rádiusů lopatek (vpravo) Obr. 9 Detail výpočetní sítě s ucpávkami a s přechodovým zaoblením Vliv uvedených konstrukčních prvků je často nezanedbatelný, ovšem závisí na konfiguraci geometrie a dalších vlivech. V průběhu řešení numerických simulací se ukázalo, že výpočet na nestandardní síti s přechodovým zaoblením, viz obr. 8 a 9 vpravo, je často mnohem citlivější z hlediska stability úloh. Například u stupně RTK01 s modelem EARSM nebylo možné tento stupeň s přechodovým zaoblením řešit. Výpočet s modelem turbulence SST k-ω byl mnohem stabilnější a pracovní charakteristiky stupně byly vypočteny v celém pracovním rozsahu. Jak je vidět na obrázku 10, došlo ke značnému poklesu účinnosti oproti ostatním SST k-ω variantám na úroveň EARSM modelu turbulence. Podle očekávání se také charakteristiky mírně posunuly ve směru doleva vlivem zúžení mezilopatkového kanálu oběžného kola.

7 Turbostroje 2015 Obr. 10 Pracovní charakteristiky 3D stupně RTK01 při ot/min - vliv modelu turbulence, ucpávek a přechodového zaoblení Toto chování je ovšem velmi individuální, v případě stupně RTK 02 se již podařilo řešit úlohy s modelem turbulence EARSM v celém pracovním rozsahu stupně, viz obrázek 11. U tohoto stupně došlo opět k podhodnocení stlačení a dosažené účinnosti. Pracovní charakteristika účinnosti s použitým modelem turbulence SST k-ω opět klesla na úroveň EARSM řešení geometrického modelu s ucpávkami a účinnost EARSM řešení podle očekávání vyšla menší než naměřené hodnoty. Obr. 11 Pracovní charakteristiky 3D stupně RTK02 při ot/min - vliv modelu turbulence, ucpávek a přechodového zaoblení Obrázek 12 pak ukazuje vliv přechodových rádiusů na proudové pole ve stupni radiálního kompresoru. Vlevo je výsledek výpočtu radiální rychlosti v meridiálním řezu stupněm se zjednodušenou geometrií oběžného kola, vpravo pak výsledek výpočtu se zahrnutím přechodových rádiusů včetně pohledu na vizualizaci proudění v celém kole. Obr. 12 Porovnání rychlostí v meridiálním řezu vliv přechodových rádiusů

8 TechSoft Engineering Dále byly vcelku podrobně analyzovány technologické prvky a to především vliv technologických otvorů na charakteristiky kompresorových stupňů pro svařovaná 2D i 3D kola a optimalizace umístění těchto otvorů na lopatce s cílem minimalizace jejich negativního vlivu. Výsledky této analýzy jsou velmi zajímavé a budou předmětem samostatné publikace. 4. Závěr Návrh, CFD simulace a experimentální ověřování nových stupňů radiálních kompresorů jsou klíčové prvky pro úspěšný vývoj konkurenceschopných procesních turbokompresorů. V současnosti probíhá intenzivní vývoj nové řady stupňů s vysokou účinností pro celé spektrum hltností. Experimentální zkušebna se zkušebním zařízením DARINA slouží pro koncové ověření vlastností nově navržených stupňů. Zařízení funguje v rutinním provozu, ve kterém umožňuje variabilně měnit zástavbu, kontinuálně je zlepšován proces měření a vyhodnocování parametrů stupňů. Po zpracování bezrozměrných charakteristik pro termodynamický návrh stroje jsou naměřené podklady vloženy do interního návrhového programu a zařazeny do portfolia stupňů dodávaných společností HČKD. CFD simulace stupňů radiálních kompresorů s oběžnými koly se 3D i 2D lopatkami prošly v posledních letech v HČKD i na ZČU/NTC výrazným kvalitativním posunem a díky systémům ANSYS CFX a NUMECA FINE/Turbo umožnují jak kontrolu návrhu, tak i výpočet charakteristik blízký charakteristikám naměřeným. CFD simulace navíc svoji variabilitou umožňují provádět numerické simulace jevů, jejichž proměření je z časových i finančních důvodů nemožné. Zkušenosti z testování funkčních vzorků nové řady kompresorových stupňů a jejich porovnání s výsledky CFD simulací potvrzují nutnost experimentálních měření charakteristik a dalších veličin. Důvodem je komplikované, stlačitelné, zpomalované a často úhlově asymetrické či nestacionární proudění. Nicméně se zvyšujícími se možnostmi CFD systémů, hledáním optimalizovaných nastavení metodik výpočtů a výkonem počítačů potenciál numerických simulací narůstá a jejich úloha je v současné době při vývoji nových stupňů kompresorů již nezastupitelná. 5. Reference Cyrus, V.: Návrh měřící metodiky a techniky zkušebního odstředivého kompresorového stupně ČKD úvodní část, Zpráva AHT , AHT Energetika s.r.o., Praha, 2011 Kadrnožka, J.: Tepelné turbíny a turbokompresory I, CERM Brno, 2004 Luňáček, O.: Optimalizace parametrů radiálních kompresorových stupňů, Turbostroje 2013, TechSoft Engineering, Praha, 2013 Syka, T., Kňourek, J. Matas, R.: Numerical simulation of radial compressor stages with seals and hub and shroud radiuses and comparison with experimental measurement, NUMECA German Users' Meeting, Lauf an der Pegnitz, 2014 Syka, T.: Vliv geometrických úprav na účinnost kompresorového stupně, Dizertační práce, ZČU v Plzni, 2015 v procesu obhajoby Poděkování Tato práce byla podpořena projektem MPO TIP FR-TI3/421.