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 500 000 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, 306 14 Plzeň, mata@ntc.zcu.cz 2 Západočeská univerzita v Plzni, NTC/MIS, Univerzitní 8, 306 14 Plzeň, tsyka@ntc.zcu.cz 3 Západočeská univerzita v Plzni, NTC/MIS, Univerzitní 8, 306 14 Plzeň, knourek@ntc.zcu.cz 4 Howden ČKD Compressors s.r.o., Klečákova 347, 190 00 Praha 9, ondrej.lunacek@howden.com 5 Howden ČKD Compressors s.r.o., Klečákova 347, 190 00 Praha 9, jaroslav.mraz@howden.com
TechSoft Engineering projektu MPO TIP, který byl ukončen k 30. 6. 2015 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 4 000 do 18 000 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 42 000 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
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.
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
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 13 568 ot/min
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.
Turbostroje 2015 Obr. 10 Pracovní charakteristiky 3D stupně RTK01 při 13 568 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 13 568 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
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 011-106, 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.