Howden ČKD Compressors Stand pro vývoj kompresorových stupňů firmy Howden ČKD Compressors Jindra Kosprdová, Josef Kaplický, Ondřej Luňáček Howden Group 2013
Dodávka zařízení dle požadavků zákazníka Radiální turbokompresory: Horizontálně dělené kompresory Vertikálně dělené kompresory Převodové kompresory Další zařízení: Pístové kompresory Elektromotory, generátory Howden Group 2013 2
Dodávka radiálních turbokompresorů dle požadavků zákazníka Typ 5 RMX 99 Sání z atmosféry p v = 0.739 MPa; n = 6360 1/min; Q N = 90 000 Nm 3 /hod; P = 12.5 MW Howden Group 2013 3
Dodávka radiálních turbokompresorů dle požadavků zákazníka Typ 4 RVA 88 Třítělesový kompresor pro stlačování pyrolýzního plynu p v = 0.2526 MPa; n = 5885 1/min; m = 170 000 kg/hod; P soustrojí = 26.8 MW Howden Group 2013 4
Stupeň radiálního turbokompresoru Oběžné kolo difuzor vratný kanál (výtlačná spirála) Oběžná kola v rozsahu D 2 = (120 1350) mm Oběžné kolo Difuzor Vratný kanál Howden Group 2013 5
Vývoj nové řady stupňů radiálních turbokompresorů Pokrytí rozsahu průtokových čísel FI0 = (0.0075 0.15) Maximalizace účinnosti stupně Maximalizace tlakového čísla Dodržení požadavků na regulační rozsah φ 0 = 4Q 0 πd 2 2 u 2 χ s = Δh s u 2 2 Howden Group 2013 6
Postup vývoje nové řady 1D návrh základní geometrické parametry (vstupní/výstupní úhel, výstupní šířka, vstupní průměry atd.), předpokládané charakteristiky 3D návrh tvar lopatek oběžného kola i vratného kanálu, tvar krycí a nosné stěny, numerické simulace (CFD, FEM) Experimentální ověření výroba vzorku, projekt měření a návrh sond, osazení měřicí technikou, vyhodnocení měření Na řešení spolupracuje mnoho útvarů HCKD (EZK, KKO, TPO, TRZ, VPR, ) i externích partnerů Howden Group 2013 7
FEM simulace namáhání oběžného kola FEM simulace v prostředí ANSYS Mechanical Určení kritických míst a úprava návrhu pro snížení namáhání Howden Group 2013 8
CFD simulace průtočné části Simulace proudění média v průtočné části Určení parametrů stupně v prostředí ANSYS CFX Howden Group 2013 9
Historie zkušebny ČKD 70. a 80. léta 20. stol. největší zkušebna ve střední Evropě Stupně vyvíjeny ve spolupráci s SVÚSS Běchovice DARINA Howden Group 2013 10
Historie zkušebny ČKD Přelom 20. a 21. stol. zkušebna v areálu ČKD ve Vysočanech Howden Group 2013 11
Zkušebna pro vývoj kompresorových stupňů V roce 2013 dokončeno nové zkušební pracoviště pro vývoj stupňů Areál Vědeckotechnického parku Plzeň Borská pole Spolupráce s výzkumným centrem Nové Technologie při ZČU Howden Group 2013 12
Zkušebna návrh pracoviště Návrh zkušebního pracoviště byl řešen především s ohledem na: Hlučnost zkušebního standu Manipulační možnosti jeřábové dráhy Dispozici sací a výtlačné měřicí trati Howden Group 2013 13
Zkušebna návrh pracoviště Možnosti jeřábu: Max. výška háku nad zemí 2.6 m Nosnost 5 tun Jedno zdvihací zařízení Howden Group 2013 14
Zkušebna návrh pracoviště Hlučnost zkušebního dmychadla byla uvažována až 110 db Hmotnost tlumičů hluku na sání a na výtlaku 3.5 t Demontovatelný akustický kryt Howden Group 2013 15
Zkušebna návrh pracoviště Trať pro měření průtoku na sání a výtlaku kompresoru dle ČSN EN ISO 5167 Rozsah průtoku řady vyvíjených stupňů V = (0.1-10) m 3 /s Potrubí na sání DN450, na výtlaku DN400 Ve vertikální části výtlačného potrubí je umístěna regulační armatura Howden Group 2013 16
Zkušebna vertikální řez Howden Group 2013 17
Zkušebna dispozice Howden Group 2013 18
Zkušebna návrh pracoviště Howden Group 2013 19
Zkušebna provedení Howden Group 2013 20
Zkušební stand základní parametry Universální zkušební dmychadlo s výměnnou vnitřní zástavbou průtočné části radiálního stupně s letmo uchyceným oběžným kolem o průměru 440 mm Elektromotor s maximálním příkonem 1 200 kw, 400 V, jmenovité otáčky 3 600 ot/min, při jmenovité frekvenci 60 Hz, s kapalinovým chlazením Frekvenční měnič v kombinaci s převodovkou, rozsah otáček testovaného stupně v rozmezí 4 500 16 500 ot/min Howden Group 2013 21
Zkušební dmychadlo základní parametry Výměnná průtočná část pro různá provedení radiálního stupně v provedení s bezlopatkovým i lopatkovým difuzorem, uvažováno se začleněním regulačních lopatek v sání a v difuzoru Stlačované médium vzduch, sání z atmosféry, maximální výtlačný tlak 300 kpa abs Howden Group 2013 22
Zkušební dmychadlo dynamika rotoru Provoz dmychadla v širokém rozsahu otáček Konstrukční úpravy pro zlepšení dynamiky rotoru Howden Group 2013 23
Zkušební dmychadlo průtočná část Výměnná průtočná část se skládá ze sání dmychadla, oběžného kola a statorových částí Statorové části nosná, krycí a sací mezistěna, nosič ucpávek Labyrintové ucpávky oběžného kola, hřídelová ucpávka Howden Group 2013 24
Elektromotor typ 5N 181-02HW 1200 kw, 400 V, jmenovité otáčky 3 588 ot/min, při jmenovité frekvenci 60 Hz, jmenovitý proud 2029,3 A; cos f 0,89; IP 55 Kapalinové chlazení Howden Group 2013 25
Frekvenční měnič ACS800-37-1430-3 Výrobce ABB V kombinaci s převodovkou zajišťuje požadovaný rozsah testovacích otáček zkušebního stupně v rozmezí 4450 16 500 ot/min Maximální příkon P = 1 200 kw, maximální proud I = 2 814 A Provedení Low harmonic drives, jemná kompenzace jalového proudu Vzduchové chlazení (56 kw, 10 240 m3/hod) Howden Group 2013 26
Převodovka Výrobce WIKOV Gear - rychloběžná převodovka RUB 396 s čelními šikmými ozubenými koly Příkon 1 200 kw; otáčky 4 450 16 500 1/min; převodový poměr 5.0344 Ložiska segmentová Waukesha Z dispozičních důvodů šikmá dělící rovina Howden Group 2013 27
Olejové hospodářství Olejový blok umístěn mimo rám soustrojí Obsahuje: Olejovou nádrž Provozní čerpadlo Záložní zdroj Chladič olej-chladicí kapalina Olejový filtr Odvětrávací jednotka včetně filtru Potrubní propojení včetně regulačních a manipulačních armatur Měření průtoku a teploty oleje ložisek dmychadla Zajišťuje potřebu oleje pro ložiska zkušebního tělesa, převodovky a elektromotoru Olej turbínový VG 46 dle ISO, náplň 1 600 l Howden Group 2013 28
Pomocná zařízení Aparatura pro měření vibrací výrobce AURA Milevsko Snímače absolutních a relativních vibrací hřídele dmychadla Kompresor pro zafukování vnějších ucpávek Kaeser UPS a frekvenční měnič pro pohon olejového čerpadla Howden Group 2013 29
Chladicí systém Chladicí okruh obsahující blok s ventilátorovým chladičem vzduch chladicí kapalina umístěný na střeše budovy a druhý blok v hale dodavatel ČKD PRAHA DIZ Obsahuje: Čerpadlo Expanzní nádrž Potrubní propojení včetně regulačních a manipulačních armatur Chladicí kapalina nemrznoucí ekologická směs Friterm, uzavřený přetlakový systém Okruh je dimenzován pro chlazení elektromotoru a mazacího oleje, náplň 1000 l Howden Group 2013 30
Řídicí systém Řídicí systém Schneider electric řady TWIDO 36 digitálních vstupů, 18 analogových výstupů Zdroj 24 V DC pro napájení PLC a sběr dat, napájení z UPS Ovládání z rozvaděče ve strojovně ze 7,5 barevného dotykového panelu, komunikace prostřednictvím Ethernetu Magelis GTO Technologie ovládána prostřednictvím webového prohlížeče pro připojení k panelu Magelis GTO Operátorské stanoviště je umístěno ve velínu s prosklenou stěnou Howden Group 2013 31
Řídicí systém Ovládání všech technologických zařízení zkušebního soustrojí Provozní signalizace o stavu soustrojí včetně pomocných pohonů Blokování startu, varovací signalizace a havarijní odstavení při výskytu nežádoucích stavů zkušebního soustrojí Howden Group 2013 32
Řídicí systém Moduly Olej, Teploty, Vibrace, Chlazení Howden Group 2013 33
Provozní měření a signalizace Provozní měření: Na rozdíl od experimentálního měření je zajištěno standardním vybavením pro provoz kompresorových zařízení Zajišťuje ucelený přehled o stavu a provozu zařízení: - Soubor měření všech důležitých tlaků (média, oleje, chladicí směsi) - Soubor měření všech důležitých teplot (média, oleje, chladicí směsi, ložisek, vinutí elektromotoru atd. Provozní signalizace: Zajišťuje signalizaci chodu pomocných pohonů: - Ventilátorů chlazení - Pohonů olejového a vodního čerpadla - Pohonu odsávaní olejových par z olejové nádrže Polohy škrtící klapky na výtlaku v % Howden Group 2013 34
Protihlukový kryt Výrobce Greif-akustika Rozměry 9 705 x 6 405 x 2 190 mm Celková plocha 133 m² Hmotnost 6.9 tuny Vstupní parametry: - hladina hluku soustrojí 110 db - vyzařované teplo 30 kw Akustické parametry: - hladina hluku 1 m od krytu 65 db až 80 db - neprůzvučnost Rw = 30 db Howden Group 2013 35
Tlumič hluku sání DN 600/PN 6 Výrobce Greif-akustika Rozměry 2 450 x 1 250 6 465 / 4 000 mm, hmotnost 3 500 kg Teplota vzduchu -20 C až 32 C Filtrační komora pro 8 vložek FILTR KS PAK 25HF G3 Tlaková ztráta 200 až 450 Pa Hladina akustického tlaku LAeq 50 db(a) 3 m od sání Howden Group 2013 36
Tlumič hluku výtlaku DN 600/PN 6 Výrobce Greif-akustika Rozměry 2 450 x 1 250 6 208 / 4 000 mm, hmotnost 3 500 kg Průtok 37 116 kg/h, vzduch max 130 C Tlaková ztráta cca 1 000 Pa Hladina akustického tlaku LAeq 50 db(a) 3 m od výdechu Howden Group 2013 37
Experimentální měření provozní veličiny Soubor dat vnějšího měření (frekvence z měniče, svorkový příkon elektromotoru, kroutící moment, otáčky dmychadla, tlaky a teploty na sání a výtlaku, diference na clonách, atd. - 21 veličin Soubor virtuálních veličin (průtočné množství, garantované tlaky a teploty v sání, relativní vlhkost plynu v sání, stlačení, příkon z dynamometru atd. (zadávané jako konstanty, nebo získané výpočtem z jiných veličin - 8 veličin Howden Group 2013 38
Experimentální měření vnitřní měření Soubor vnitřního měření stupně v 5 měřicích rovinách celkem 122 tlaků a 46 teplot 28 převodníků tlaku s rozsahem 5-120 kpa (a), přesnost 0.1% 94 převodníků s rozsahem 80-270 kpa (a), přesnost 0.1% 46 termočlánků typu K dodaných firmou AHT Energetika 4 5 m 0 7 Howden Group 2013 39
Projekt měření Projekt měření dle návrhu AHT Energetika Howden Group 2013 40
Funkční vzorek stupně Oběžné kolo průměr D 2 = 440 mm, 13 až 15 lopatek, materiál X5CrNi Výroba frézováním z jednoho kusu (3D stupně) nebo pájením (2D stupně) Bezlopatkový difuzor, vratný kanál s 28 lopatkami Howden Group 2013 41
Měřicí sondy Násobné sondy pro měření celkového tlaku a teploty v sání a na výtlaku stupně Jednoduché sondy pro měření celkového tlaku a teploty v jednotlivých částech Sondy pro měření statického tlaku Víceotvorové sondy pro určení směru proudění Sondy s rychlými snímači pro měření nestacionarit Howden Group 2013 42
Montáž sond Osazení jednotlivých mezistěn Sestavení paketu Připojení vývodů Založení paketu mezistěn a nosiče ucpávek do tělesa Howden Group 2013 43
Schéma experimentálního měření Výsledné schéma měření Howden Group 2013 44
Systém pro zpracování měřených dat Výrobce Peekel Instruments Měřicí ústředna AUTOLOG 3000 pro přenos a registraci dat 322 vstupů, rychlost měření 200 kanálů/sekundu, přesnost: 0.1% z rozsahu v celém rozsahu pracovních teplot Snímače tlaku JSP, Rosemount, Kulite Přenos a zpracování dat na PC s grafickými výstupy Howden Group 2013 45
Dynamometr Výrobce Torquemeters Součástí rychloběžné spojky John Crane pro měření krouticího momentu hřídele dmychadla Dvě torzní tyčky do 170 Nm a do 740 Nm Součástí je čidlo pro měření otáček Howden Group 2013 46
Přístroje pro experimentální měření Rychlé snímače tlaku XTL- 123 M, rychlost snímání 175 khz, přesnost 0.1 %, výrobce Kulite Snímače tlaku D 2610, přesnost 0.1 %, výrobce JSP Industrial Controls Absolutní a diferenční snímače tlaku, přesnost 0.025%, výrobce Rosemount Vlhkoměr H8D, výrobce AHLBORN Průtokoměr, přesnost 0.1 l/min, max. průtok 300 l/min, výrobce IFM Eletronic Howden Group 2013 47
Instalované sondy Howden Group 2013 48
Instalované sondy Howden Group 2013 49
Konečná montáž průtočné části Howden Group 2013 50
Konečná montáž, vývody měření Howden Group 2013 51
Sledování průběhu měření Howden Group 2013 52
Přestavba zkušebního zařízení pro měření Přestavba zkušebního dmychadla: Odpojení měření Demontáž výtlačného potrubí Demontáž sací části Rozpůlení tělesa Otočení vrchní části skříně Vyjmutí a rozebrání mezistěn Demontáž sond Howden Group 2013 53
Vyhodnocení výsledků měření Vyhodnocení klíčových parametrů stupně stlačení, vnitřní příkon, účinnost apod. Howden Group 2013 54
Zpracování výsledků měření Vytvoření podkladů pro návrh kompresoru na základě fyzikální podobnosti Interní návrhový SW Návrh RTK Howden Group 2013 55
Publikace výsledků Konference Turbostroje a Experimental Fluid Mechanics Setkání uživatelů výpočetních SW ANSYS a NUMECA Tematický časopis společnosti Howden CFD Newsletter Syka, T., Luňáček, O.: Numerical simulation of radial compressor stage; Mezinárodní konference Experimental Fluid Mechanics 2012, Hradec Králové, ISBN 978-80-7372-912-7, 4s Syka, T., Luňáček, O.: Vliv geometrických úprav na účinnost lopatkového stroje; Konference Turbostroje 2013, Praha, ISBN 978-80-905040-3-5, 6s Luňáček, O.: Optimalizace parametrů radiálních kompresorových stupňů; Konference Turbostroje 2013, Praha, ISBN 978-80-905040-3-5, 10s Luňáček, O.: Compressor Stages Family Development; CFD Newsletter, Issue 03, 2s Howden Group 2013 56
Náklady na řešení projektu Celkové náklady na projekt vývoje nové řady stupňů přesahují 100 mil. Kč Zkušební zařízení bylo vybudováno v rámci programu Posílení kapacity společnosti ČKD NOVÉ ENERGO, a.s. pro vývoj a testování odstředivých kompresorů, programu Potenciál vládní agentury pro podporu podnikání a investic Czechinvest Vývoj nové řady stupňů je podporován Ministerstvem průmyslu a obchodu ČR v programu TIP, projekt Optimalizace parametrů radiálních kompresorových stupňů je řešen v období 2011-2015 Howden Group 2013 57
Howden ČKD Compressors Contact Information Howden ČKD Compressors s. r. o. Klečákova 347 190 00 Prague 9 Czech Republic Tel.: + 420 226 543 103 Fax: + 420 284 812 148 E-mail: info@howden.com www.howden.com Howden Group 2013 58
Thank You Howden Group 2013