Turbostroje 2013 Optimalizace parametrů radiálních kompresorových stupňů Optimization of parameters of the radial compressor stages Ondřej Luňáček ČKD Kompresory a.s. Abstrakt: Článek se zabývá projektem vývoje stupňů radiálních turbokompresorů používaných v procesních kompresorech dodávaných společností ČKD KOMPRESORY a.s. Je uvedena obecná charakteristika stupně včetně základních veličin používaných při návrhu a vyhodnocení dosažených parametrů. Je popsán proces návrhu stupně s vysokou hltností, který je prvním stupněm z nově vyvíjené typové řady. Jsou uvedeny nástroje a výpočetní metody používané v rámci vývojového procesu a diskutovány oblasti jejich využití. V souvislosti s ověřováním parametrů navrženého stupně je představeno nově vybudované zkušební pracoviště společnosti ČKD KOMPRESORY a.s. Klíčová slova: Radiální turbokompresor, výpočetní metody, experimentální měření. Abstract: The article deals with a R&D project of optimization of centrifugal compressor stages used in industrial compressors manufactured by ČKD KOMPRESORY a.s. The general description of a centrifugal compressor stage included basic parameters used in design and evaluation process is presented. The design process of a high flow coefficient stage is described. This stage is the first one of a new compressor stages family. Tools and numerical methods in the design process and applicable areas are discussed. The new testing stand of ČKD KOMPRESORY a.s. for a stage parameter evaluation is presented. Keywords: Centrifugal compressor, numerical methods, experimental measurements. 1. Úvod Společnost ČKD KOMPRESORY a.s. dodává radiální turbokompresory pro nejrůznější použití na stlačování a dopravu prakticky všech technických plynů o výkonnosti až do 500 000 m3/h s tlakem na výtlaku do 20 MPa. Vyráběné kompresory se používají v oblasti plynárenství (od těžby plynu, jeho transportu a uskladňování až po zpracování), metalurgii, chemickém průmyslu a energetice. Obvykle se jedná o vícestupňové kompresory s oběžnými koly uloženými na společném hřídeli mezi ložisky poháněné elektromotory vlastní výroby, parními nebo plynovými turbínami. Kompresory jsou navržené na základě vlastního know-how dle konkrétních požadavků zákazníka, jednotlivé stupně jsou vybrány z databáze typizovaných stupňů vyvinutých dlouhodobým vývojem společnosti. Článek představuje projekt 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. Při řešení jsou využívány moderní návrhové a výpočetní metody v kombinaci s experimentálním měřením na funkčních vzorcích navržených stupňů. Pro tyto účely bylo vytvořeno unikátní pracoviště zaměřené na oblast proudění v průtočné části radiálního turbokompresoru.
Projekt je řešen vlastními vývojovými kapacitami společnosti ČKD KOMPRESORY a.s. ve spolupráci s partnerským výzkumným centrem Nové technologie při Západočeské univerzitě v Plzni, dále se na řešení podílejí specialisté z České republiky i ze zahraničí. Projekt je řešen týmem odborníků např. v oblasti návrhu a konstrukce kompresorů, technických výpočtů a měření a regulace parametrů v oblasti rotačních strojů. 2. Použité značení 2.1 Zkratky: CFD Computational Fluid Dynamics ČKD ČKD KOMPRESORY a. s. FEM Finite Elements Method NTC Západočeská univerzita v Plzni, centrum Nové technologie PCA PCA Engineers Limited RTK radiální turbokompresor 2.2 Veličiny: D 2 [m] průměr oběžného kola na výstupu b 2 [m] šířka oběžného kola na výstupu n [ot/min] počet otáček oběžného kola FI0 [-] průtokový součinitel při stavu na sání PI [-] stlačení stupně ETA [-] izoentropická účinnost 3. Stupeň RTK Obr. 1. Stupeň RTK V radiálním turbokompresoru dochází ke stlačování plynného média odstředivými silami způsobenými rotací kanálů oběžného kola. Kanál je vymezen lopatkami a vnitřními stěnami krycího a nosného kotouče. V oběžném kole dochází ke zvýšení kinetické, tepelné a tlakové potenciální energie plynu.
Turbostroje 2013 Z oběžného kola vstupuje médium do difuzoru, ve kterém se postupně zvětšuje průtočná plocha a dochází k přeměně kinetické energie na tlakovou. Pro zvýšení účinnosti v návrhovém bodě někdy bývají začleněny difuzorové lopatky, které usměrňují proudění a snižují hydraulické ztráty. Mimo návrhový bod však ve srovnání s bezlopatkovým difuzorem dochází k odtrhávání média a prudkému poklesu účinnosti. Za difuzorem je u jednostupňových kompresorů zařazena výtlačná spirála, u vícestupňových je do sání následujícího stupně médium přiváděno vratným kanálem a usměrňováno lopatkami. Informace o chování stupně poskytují tzv. charakteristiky závislosti základních parametrů stupně (stlačení, účinnost, entalpie) na průtočném množství. V tomto příspěvku jsou uváděny v normovaném tvaru. 4. Návrh stupňů V rámci projektu je ve spolupráci se společností PCA, předními odborníky na návrh rotačních strojů, vyvíjena nová řada stupňů s optimalizovanými parametry, která zahrnuje stupně s oběžnými koly s prostorově tvarovanými lopatkami (tzv. 3D stupně) pro oblast vysokých průtokových koeficientů, i tzv. 2D stupně, u nichž jsou lopatky oběžného kola tvořeny vytažením rovinného profilu. Vyvíjené stupně jsou navrhovány s uložením oběžného kola na hřídeli mezi ložiska, radiálním sáním a bezlopatkovým difuzorem. Obr. 2. Řada vyvíjených stupňů V první fázi byly řešeny návrh a experimentální ověření stupně s vysokou hltností. Při návrhu byly nejprve určeny základní geometrické poměry stupně - axiální délka, průměry jednotlivých částí, počet lopatek a jejich sklon na výstupu z oběžného kola. Tyto parametry jsou klíčové především pro určení rozměrů tělesa skříně kompresoru a řešení dynamiky rotoru stroje. Dále byly na základě zkušeností a odborné literatury určeny dosažitelné parametry stupně pro zvolené návrhové podmínky. Otáčky 13568 ot/min Průměr D 2 440 mm Šířka b 2 35,2 mm Médium Vzduch Tlak v sání 0,1 MPa Teplota v sání 293,15 K FI0 0,15 Obr. 3. Oběžné kolo s geometrickými parametry Tab. 1. Návrhové parametry stupně s vysokou hltností
Navržené stupně budou pro menší šířky modifikovány ze strany nosné stěny, což přináší výhody v oblasti dynamiky rotoru a zajistí konstantní rozměry v oblasti krycího kotouče oběžného kola a menší axiální délku u stupňů navržených pro nižší průtokové součinitele. Pro řešený stupeň byla zvolena kritéria pro hodnoty účinnosti, stlačení a regulačního rozsahu pro daný návrhový průtokový koeficient a zvoleny návrhové podmínky. Ve fázi vlastního návrhu geometrie průtočné části byla využívána tzv. throughflow analýza, což je prostředek pro rychlé určení parametrů stupně ze základních aerodynamických poměrů. Ověřování navržené geometrie touto metodou výrazně zkracuje dobu návrhu a je předpokladem pro dosažení požadovaných parametrů při následné detailní CFD analýze. Obr. 4. Výsledky throughflow analýzy 5. Numerické simulace 5.1 FEM simulace Po vytvoření geometrie průtočné části splňující zadané parametry bylo třeba provést konstrukční návrh oběžného kola a výpočetní model pro kontrolu jeho pevnosti. Pevnostní výpočty byly řešeny metodou konečných prvků v prostředí ANSYS Mechanical na cyklicko-symetrickém segmentu odpovídajícímu jedné lopatce oběžného kola. Typy elementů a jejich rozložení byly voleny s ohledem na typická kritická místa oběžných kol, což jsou především přechody mezi lopatkou a krycím a nosným kotoučem a náběžnou hranou lopatky. Velikost výpočetní sítě byla přibližně 830 tisíc elementů. Jako okrajové a zatěžovací podmínky byly použity Cylindrical Support a Rotational Velocity, které představují uložení oběžného kola na hřídeli a zatížení zkušebními otáčkami. Obr. 5. Model pro FEM analýzu
Turbostroje 2013 Na základě výsledků pevnostních výpočtů byly určeny kritické oblasti oběžného kola a provedena optimalizace jeho tvarů a dimenzování. Především byly zvětšeny tloušťka krycího a nosného kotouče a zvětšeny přechodové rádiusy. Po těchto úpravách je možné navržené oběžné kolo zatížit maximálními uvažovanými provozními otáčkami. 5.2 CFD simulace Obr. 6. Výsledky FEM analýzy Pro určení termodynamických parametrů navrženého stupně byl z navržené geometrie vytvořen model průtočné části pro CFD analýzu. V tomto modelu nejsou zahrnuty přechodové rádiusy mezi lopatkou a krycím a nosným kotoučem, prostory vnitřních a vnějších ucpávek ani konstrukční a technologické detaily nezbytné pro sestavení stupně. Simulována je část radiálního naváděcího kusu, oběžné kolo, bezlopatkový difuzor a vratný kanál. Rozhraní mezi difuzorem a vratným kanálem je uvažováno ve středu vratného oblouku. Pro snížení výpočetních nároků byla užita konformní rotační periodicita, velikost segmentů odpovídá jedné lopatce oběžného kola resp. vratného kanálu. Obr. 7. Modely pro CFD analýzu V generátoru sítě GridPro byla vytvořena blokově strukturovaná ortogonální síť o celkové velikosti přibližně 1,2 milionu elementů se zjemněním v oblasti mezní vrstvy.
Obr. 8. Výpočetní síť pro CFD analýzu Simulace byly provedeny v prostředí ANSYS CFX, což je řešič pro počítačovou simulaci proudění metodou konečných objemů. Je uvažováno stacionární proudění vazkého stlačitelného média, kterým je vzduch s vlastnostmi ideálního plynu. Je zahrnut model turbulence k-ɛ. Na vstupu do naváděcího kusu jsou předepsány hodnoty celkového tlaku a celkové teploty, na výstupu z vratného kanálu je zadán příslušný hmotnostní průtok. Stěny průtočné části jsou definovány jako adiabatické, v oblasti oběžného kola je předepsána rotace. Rozhraní mezi rotorovou a statorovou doménou průtočné části jsou zvolena jako Frozen Rotor, což umožňuje přenesení parametrů proudění včetně profilu na rozhraní. Mezi difuzorem a vratným kanálem je nastaveno rozhraní typu Stage. Pro výpočet bylo použito numerické schéma High Resolution druhého řádu přesnosti pro bilanční rovnice i model turbulence. Byly vyhodnoceny základní parametry vyvíjeného stupně a výsledky byly porovnány s výsledky throughflow analýzy pro návrhový režim. Výsledky jsou pro návrhový režim v okolí návrhového bodu ve velmi dobré shodě. Kromě určení celkových parametrů stupně umožňují výsledky CFD analýzy i detailní rozbor proudového pole, nalezení slabých míst návrhu, určení profilů jednotlivých veličin a dále poskytují představu o chování navrženého stupně mimo návrhové režimy. Obr. 9. Výsledky throughflow (1D) a CFD analýzy Pro ověření vlivu třecích a ucpávkových ztrát na parametry stupně byl na pracovišti NTC dále vytvořen model se zahrnutím ucpávkových prostorů břitových ucpávek oběžného kola. Výpočetní síť byla vytvořena v prostředí NUMECA IGG/Autogrid, což je software specializovaný na síťování kanálů a ucpávkových prostorů většiny lopatkových strojů. Geometrie ucpávkových prostorů je charakteristická především velmi malými rozměry pod
Turbostroje 2013 břity ucpávek, což značně navyšuje nároky na tvorbu výpočetní sítě a především potřebný počet elementů. V případě řešeného stupně se počet elementů zvýšil přibližně 4 krát. Obr. 10. Výpočetní síť v oblasti ucpávek oběžného kola V prostředí NUMECA Fine/Turbo byly provedeny CFD simulace s nastavením fyzikálního a matematického modelu obdobně jako v případě bez zahrnutí ucpávek, vzhledem k parametrům výpočetní sítě byl použit model turbulence SST k-ω. Obr. 11. Vliv ucpávek oběžného kola na parametry stupně V porovnání s průběhem simulace stupně bez ucpávkových prostorů dochází k navýšení (cca 3x) potřebného počtu iterací pro konvergenci úlohy, což zvyšuje nároky na výpočetní kapacity a výrazně prodlužuje dobu výpočtu. Výsledný vliv ucpávkových a třecích ztrát je při zpracování podkladů pro používání stupně zahrnut v rámci přepočtů na tzv. bezrozměrné charakteristiky, které při zachování kritérií podobnosti umožňují návrh stupně v širším rozsahu parametrů. Kromě termodynamických parametrů umožňuje CFD analýza stupně se zahrnutím ucpávkového prostoru oběžného kola určit veličiny, které jsou při návrhu nového kompresoru řešeny na základě interních směrnic společnosti ČKD, např. osovou sílu působící na oběžné kolo nebo průtok břitovou ucpávkou. CFD analýza poskytuje data pro porovnání, případně pro aktualizaci těchto směrnic. Obr. 12. Průtok ucpávkou krycího kotouče (vlevo) a velikost axiální síly
Kromě výpočtů parametrů stupně umožňují CFD simulace i určení vlivu dílčích změn navržené geometrie bez nutnosti provádět časově i finančně náročné experimenty. Na navrženém stupni byla např. provedena CFD analýza s cílem určit vliv změny počtu lopatek oběžného kola na parametry stupně. Obr. 13. Vliv změny počtu lopatek oběžného kola Podobně lze určit změnu charakteristiky stupně např. na tvaru lopatek oběžného kola, provedení jejich odtokové hrany, zařazení naváděcích nebo regulačních lopatek apod. 6. Experimentální ověření 6.1 Experimentální zařízení Pro experimentální ověřování parametrů navržených stupňů bylo v prostorách vývojové zkušebny připraveno zkušební dmychadlo s výměnnou průtočnou částí. Dmychadlo je umístěno na společném rámu s dynamometrem a převodovkou, která je přes pomaluběžnou spojku spojena s poháněcím elektromotorem o maximálním příkonu 1,2MW a možností plynulé změny otáček prostřednictvím frekvenčního měniče. Dynamometr pro měření krouticího momentu na hřídeli dmychadla je součástí rychloběžné spojky. Dmychadlo má letmo uložené oběžné kolo a umožňuje provoz v rozsahu měřících otáček od 4 500 do 16 500 otáček za minutu. Obr. 14. Zkušební zařízení pro ověřování parametrů stupňů RTK
Turbostroje 2013 Zkušební zařízení je navrženo pro provoz s otevřeným okruhem. Do dmychadla je sacím potrubím v ose stroje přiváděn přes tlumič hluku a clonkovou měřící trať vzduch z atmosféry, po stlačení je proveden výfuk přes výtlačný sběrač, měřící trať a tlumič hluku na výtlaku. Ve výtlačném potrubí je umístěna regulační armatura pro nastavení aerodynamického odporu tratě a tím i změnu provozního režimu. 6.2 Experimentální měření Pro experimentální ověření navrženého stupně byl vyroben funkční vzorek stupně s vysokou hltností, který je složen z vložky radiálního naváděcího kusu, oběžného kola, paketu mezistěn a nosiče hřídelové ucpávky. Jednotlivé statorové části byly osazeny jednoduchými a násobnými sondami celkového a statického tlaku a teploty. Dále jsou připraveny odběry celkového tlaku dvou tříotvorových sond pro určení úhlu nabíhajícího proudu na lopatky vratného kanálu a dva rychlé snímače statického tlaku pro sledování nestacionárních jevů v průtočné části. Obr. 15. Funkční vzorek vyvinutého stupně Pro měření tlaků byly použity absolutní snímače tlaku s nastavitelným rozsahem měření a vysokou přesností. Tyto snímače jsou umístěny v pěti měřících rovinách a umožňují určení pracovních charakteristik vyvinutého stupně a stanovení ztrát jednotlivých dílů průtočné části. Vyhodnocení signálů z měřicích sond je provedeno univerzálním multikanálovým systémem pro registraci dat nezávislým na systému řízení zkušebního soustrojí. Zpracované fyzikální veličiny jsou porovnány s výsledky CFD simulací a ve vyhodnocovacím programu jsou určeny výsledné parametry stupně. Obr. 16. Navržená vícenásobná sonda celkového tlaku (vlevo) a její instalace
7. Závěr V prezentovaném projektu jsou teoreticky navrhovány a ve vybraných případech i experimentálně ověřovány nové stupně radiálního kompresoru. Současně s ověřováním parametrů navrženého stupně jsou připravovány typizované konstrukční podklady. Po zpracování bezrozměrných charakteristik pro termodynamický návrh stroje budou tyto podklady vloženy do interního návrhového programu a zařazeny do portfolia stupňů dodávaných společností ČKD. Mimo prací na vytvoření ucelené řady stupňů s optimalizovanými parametry jsou v rámci projektu studovány i související oblasti, jako je optimalizace regulačních lopatek v sání a difuzoru stupně nebo např. provedení ucpávek. 8. Reference 1. Cyrus V., Návrh měřící metodiky a techniky zkušebního odstředivého kompresorového stupně ČKD úvodní část, Zpráva AHT 011-106, AHT Energetika s.r.o., Praha, 2011 2. Hazby H., Robinson C. J., Woods I. H., Development of a compressor family, Phase 2: Design of the high flow coefficient stage (phi=0-15), Zpráva č. 251-3, PCA Engineers, Lincoln, 2011 3. Kosprdová J., Návrh nové řady stupňů RTK, Zpráva č. TRZ-2012-07, ČKD KOMPRESORY a.s., Praha, 2012 4. Luňáček O., Výpočty parametrů stupně pro návrhový průtokový součinitel FI0=0,15, Zpráva č. TRZ- 2013-03, ČKD KOMPRESORY a.s., Praha, 2013 5. Solodyankin K., Pevnostní analýza oběžného kola nové řady stupňů radiálních turbokompresorů, Zpráva č. TRZ-2012-10, ČKD KOMPRESORY a.s., Praha, 2012 6. Syka T., Matas R., Numerický výpočet kompresorového stupně PCA1s s ucpávkami, Zpráva č. NTC 02-20/12, NTC, Plzeň, 2012 9. Poděkování Projekt vývoje nové řady stupňů radiálních turbokompresorů je podporován Ministerstvem průmyslu a obchodu v rámci projektu FR-TI3/421 Optimalizace parametrů radiálních kompresorových stupňů. Výstavba experimentální zkušebny byla podpořena Agenturou pro podporu podnikání a investic CZECHINVEST v programu Potenciál v rámci projektu Posílení kapacity společnosti ČKD NOVÉ ENERGO, a.s. pro vývoj a testování odstředivých kompresorů.