Streszczenie
W pracy przestawiono moĪliwoĞü implementacji systemów CAD/CAM/CAE w procesie modelowania. Przedstawiono równieĪ etapy powstawania numerycznych modeli wirników turbosprĊĪarek narzĊdziami CAD. Kluczowa czĊĞü pracy obejmuje opis analizy wytrzymałoĞciowej łopatek wirnika oraz weryfikacja wartoĞci odchyleĔ. Dodatkowo przedstawiono rozkład naprĊĪeni powstały w wyniku reakcji sił maso-wych, jak równieĪ rotacji wirnika. AnalizĊ zrealizowano dla róĪnych obciąĪeĔ jednostek napĊdowych.
Słowa kluczowe: turbosprarka, łopatka wirnika, naprenia, przemieszczenia, modelowanie bryłowe, techniki informacyjne
Wprowadzenie
Uzyskanie doskonałych parametrów pracy silnika spalinowego jest kluczowym wyzwaniem dla koncernów konstruujcych jednostki napdowe [5.8]. Realizacja powyszego celu sprawia, i układy doładowania przeszły liczne modernizacje w cigu ostatnich lat.
Producenci silników spalinowych w swoich najnowszych rozwizaniach oferuj jednostki na-pdowe, o zmniejszonej pojemnoci skokowej, generujce wysok moc (tzw. downsizing). Taka technologia wie si z unowoczenieniem układów doładowania, jak równie samych urzdze doładowujcych (turbosprarek, sprarek mechanicznych). Kade jednorazowe udoskonalenie sprawia, i niezbdne staj si weryfikacje, analizy napre oraz przemieszczenia poszczególnych elementów [2].
Podczas znacznego obcienia silnika spalinowego, najbardziej naraonym elementem turbo-sprarki na obcienia s łopatki wirnika turbiny. Prdko wałka turboturbo-sprarki, na którym osadzone jest koło turbiny wraz z łopatkami przekracza warto 170 000 obr/ min. W trakcie pracy urzdzenia doładowujcego, wirnik turbiny naraony jest na gazy spalinowe o bardzo wysokiej tem-peraturze.
Głównym celem niemniejszej pracy jest przedstawienie, a take zweryfikowanie napre oraz przemieszcze łopatek wirnika turbiny, w zalenoci od obcienia jednostki napdowej. Do stwo-rzenia numerycznego modelu 3D, wykorzystano program typu CAD.
1. Charakterystyka systemów CAD/ CAM/ CAE w procesie modelowania
Współpraca nowoczesnych technik druku 3D wraz z szerokim wyborem programów CAD, a take rozwój systemów inynierskich wspomaga przemysł oraz udoskonala nauk czsto w roz-bienych kierunkach. Tego typu system umoliwiaj stworzenie przedmiotów, brył o skomplikowanych kształtach, po czym poddawane s analizie, badaniom w rónych aspektach eksploatacyjnych. Popularnymi programami, które charakteryzuj te systemy s m.in. Autodesk Inventor, Catia czy Virtual lab.
a) Autodesk Inventor- jeden z typów programu CAD (Computer Aided Design). Charaktery-zuje si moliwoci stworzenia elementów czci maszyn- od najprostszych detali, po powierzchnie o skomplikowanej, wielopłaszczyznowej krzywinie. Proces budowania cz-ci maszyn nazywany jest modelowaniem. Jego zasadnicz funkcj jest stworzenie geometrycznego modelu maszyn, z uwzgldnieniem geometrii analitycznej. Zapewnia to wykonanie elementów z du dokładnoci.
Autodesk Inventor umoliwia tworzenie pełnej dokumentacji technicznej. System udostpnia uzyskanie rysunków technicznych, złoeniowych z prawidłow numeracj oraz zestawieniem czci maszyn. Program współpracuje z modułami CAE (Computer Aided Enginering). Umoliwia to zrealizowanie inynierskich oblicze, analiz wytrzymałocio-wych, cieplnych oraz przepływowych [1, 6, 11].
Rysunek 1. Element obudowy turbosprĊĪarki- model geometryczny, stworzony w programie Autodesk Invetor
ródło: opracowanie własne.
b) Catia – zaawansowany system, który posiada zintegrowane moduły CAD/ CAM/ CAE. Podobnie jak opisany powyej program, Catia posiada funkcje modelowania przestrzen-nego, jak równie realizuje obliczenia inynierskie.
Moduł CAM (Computer Aided Manufacturing) umoliwia wytwarzanie elementów czci maszyn, które posiadaj złoone kształty. Głównym zadanie modułu, jest opraco-wanie procesu technologicznego, który współpracuje ze zintegrowanymi obrabiarkami sterowanymi numerycznie [7,9,11].
c) LMS Virtual.Lab- program, którego funkcje oraz narzdzia pozwalaj na przeprowadzenie bada prototypów w zakresie wytrzymałoci zmczeniowej, a take weryfikacji analiz dy-namicznych. Symulacje modeli dynamicznych zastosowane w programie pozwalaj na odzwierciedlenie czynników emitowanych podczas codziennej eksploatacji urzdzenia [1,3].
Główn zalet oprogramowania s współpracujce moduły, które umoliwiaj stwo-rzenie dokładnych raportów bada. Do najpopularniejszych nale: Motion, Durability, Noise And Vibration, Correlation oraz Optimization. Kady z nich odpowiada za weryfi-kacj czci, elementów maszyn z rónych aspektów dziedzin nauki. [1,3,12]
Rysunek 2. Model geometryczny wiatraka wykonany w programie LMS Virtual.Lab ródło: opracowanie własne.
2. Analiza modelu wirnika turbosprarki
Proces analizy wytrzymałociowej został zrealizowany w programie Autodesk Invetor 2015, przy pomocy symulacji napre. Badania weryfikuj naprenia, a take przemieszczenia przeno-szone przez łopatki wirnika turbiny, w zalenoci od obcienia silnika spalinowego. Analiza polegała na zweryfikowaniu napre powstałych poprzez siły masowe, które s zwizane z ruchem obrotowym wirnika turbosprarki.
2.1. Obiekt bada
Do bada wykorzystano numeryczne modele wirników turbosprarek, wykonane w programie Autodesk Inventor 2015. Wiele firm zajmujcych si produkcj urzdze doładowu-jcych, nie ujawnia informacji dotyczcych materiałów oraz ich właciwoci. W zwizku z tym przyjto, i wirnik wykonany jest ze stopu Inconel 713C. Powyszy materiał posiada nastpujce cechy [3, 205–206]: moduł Younga E= 2,05·105 MPa, moduł Kirchhoffa G= 2,05·105 MPa, gsto = 8220 kg/m3, wytrzymało na rozciganie Rm=1275 MPa, granica plastycznoci R0.2=829,5 MPa.
W celu lepszego zobrazowania zalenoci wielkoci wałka turbosprarki do przenoszonych napre oraz przemieszcze łopatek, wykonano numeryczne wirniki pojazdu osobowego (Peugeot 308 1.6 HDI), dostawczego Benz Sprinter 2.7 CDI), a take ciarowego (Mercedes-Benz Actross). Konstrukcje zostały stworzone na podstawie podzespołów urzdze doładowujcych firmy Melett.
Rysunek 3. Numeryczne modele wirników pojazdów samochodowych ródło: [4].
2.2. Etapy modelowania
Tok postpowania, niezalenie od wielkoci oraz zastosowania wirnika, w kadym modelu był taki sam.
Pierwszym etapem było stworzenie wałka turbosprarki. Element powstał przez wycignicie wyszczególnionych czci komend ,,WYCI GNI CIE PROSTE". Nastpnie zamodelowano po-jedyncz łopatk, która została powielona dookoła osi wirnika poleceniem ,, Szyk Kołowy".
Rysunek 4. Pierwsze etapy powstawania wirnika turbosprĊĪarki ródło: [4].
Ponisza ilustracja przedstawia zamodelowan łopatk, która została powielona wokół osi wirnika.
Rysunek 5. Etap modelowania wirnika turbosprĊĪarki ródło: [4].
2.3. Procedura przebiegu badania
Przebieg badania podczas weryfikacji napre oraz przemieszcze wystpujcych na łopat-kach wirnika turbiny mona uwzgldni w kilku etapach. Analiza rozpoczła si od wyboru, nadania odpowiedniego materiału, któremu odpowiadaj parametry fizyczne, a take mechaniczne. Nastp-nie naleało oznaczy Nastp-nieruchome wizania na modelu geometrycznym jakie wystpuj podczas symulacji dynamicznej. Kolejnym etapem jest zdefiniowanie, jak równie nadanie obcie wyst-pujce na łopatkach wirnika w momencie pracy jednostki napdowej. Wanym aspektem podczas przebiegu badania jest dyskredytacja modelu oraz ustawienie parametrów siatki bryłowej. Wartoci te wpływaj na dokładno pomiaru. W dalszej czci uruchamiana zostaje symulacja, po czym program sporzdza raport kocowy wyników.
Poniej przedstawiono graficzn ilustracj procedury badania.
Rysunek 6. Schemat procedury badania ródło: opracowanie własne.
2.4. Analiza wytrzymałociowa łopatek turbiny
Pierwsze badanie zostało przeprowadzone na wirniku pojazdu osobowego. Analiza numeryczna uwzgldniła obcienia oraz siły masowe, powstałe podczas pracy jednostki napdowej. Badanie zrealizowano dla rónych prdkoci obrotowych elementu wirujcego: 80 000 obr/ min, 120 000 obr/ min oraz 180 000 obr/ min.
Rozkład napre został przedstawiony według hipotezy Hubera-Misesa. Raport wyników przedstawiono poniej.
Rysunek 7. NaprĊĪenia łopatek wirnika w turbosprĊĪarce pojazdu samochodowego ródło: opracowanie własne.
Rysunek 8. Miejsce wystąpienia maksymalnego naprĊĪenia ródło: [10].
Powysza ilustracja obrazuje najbardziej naraone na naprenia miejsce, w którym wystpuj maksymalne naprenia dla prdkoci obrotowej wirnika rzdu 120 000 obr/ min.
Miejsce to wystpuje przy zewntrznej czci koła turbiny w połczeniu z łopatk wirnika. Na skutek powstawania napre oraz wystpujcych sił masowych, łopatki wirnika ulegaj przemieszczeniu oraz odchyleniu. Badanie wykonano dla prdkoci obrotowej wałka w granicach 120 000 obr/ min. Maksymalna warto odchylenia łopatki wynosiła 0,1526mm.
Rysunek poniej przedstawia raport wyniku podczas badania oraz zilustrowano odchylenia ło-patki od nominalnego połoenia.
Rysunek 9. Raport badania odchylenia łopatki wirnika ródło: [10].
Kolejn analiz przeprowadzono na modelu numerycznym wirnika pojazdu odstawczego. Jak w poprzednim przypadku naprenia powstałe w wyniku sił masowych zostały zweryfikowane dla trzech prdkoci obrotowych wałka turbosprarki. (80 000 obr/min, 120 000 obr/ min, 180 000 obr/ min).
Raport rozkładu napre został przedstawiony zgodnie z hipotez Hubera-Misesa.
Rysunek 10. Raport rozkładu naprĊĪeĔ w wirniku pojazdu dostawczego ródło: opracowanie własne.
Miejsce, w którym zlokalizowano ryzyko wystpienia najwikszego naprenia jest zewntrzna cz koła turbiny, w górnym połczeniu łopatki z powierzchnia koła. Badanie przeprowadzono przy prdkoci obrotowej wirnika rzdu 120 000 obr/min.
Obszar ten przedstawiono poniej.
Rysunek 11. Miejsce wystąpienia maksymalnego naprĊĪenia w wirniku pojazdu dostawczego ródło: [10].
Odchylenie łopatek jest zjawiskiem, które powstaje w wyniku działania m.in. sił masowych, rotacji wirnika. Analiza badania została przeprowadzona przy prdkoci 120 000 obr/ min elementu wirujcego. Warto odchylenia wyniosła 0,05639 mm.
Poniszy rysunek przedstawia odchylenie łopatki od wartoci rzeczywistej.
Rysunek 12. Raport z badania odchylenia łopatki wirnika ródło: opracowanie własne.
Ostatnim przeanalizowanym elementem był wirnik pojazdu ciarowego. Analiz modelu nu-merycznego przeprowadzono dla takich samych prdkoci obrotowych jak w poprzednich badaniach.
Powstałe naprenia w wyniku sił masowych oraz rotacji wirnika zobrazowano poniej.
Rysunek 13. Rozkład naprĊĪeĔ w wirniku pojazdu ciĊĪarowego ródło: opracowanie własne.
W zewntrznej czci koła turbiny w miejscach połcze z łopatk wirnika wystpuj najwik-sze naprenia. To najbardziej naraone, newralgiczne fragmenty, w czasie pracy turbosprarki.
Lokalizacj tych miejsc przedstawiono na poniszej ilustracji.
Rysunek 14. WystĊpowanie maksymalnych naprĊĪeĔ w wirniku pojazdu ciĊĪarowego ródło: opracowanie własne.
Weryfikacja odchylenia łopatek wirnika nastpiła przy prdkoci obrotowej ok 120 000 obr/min. Maksymalne warto przemieszczenie wyniosła 0,03567 mm. Skok łopatki od połoenia nominalnego został przedstawiony poniej.
Rysunek 15. Odchylenie łopatki w wirniku pojazdu ciĊĪarowego ródło: opracowanie własne.
2.5. Analiza wyników bada
Wanym czynnikiem majcym wpływ na rozkład napre, a take odchyle łopatek wirnika s wystpujce siły masowe oraz prdko obrotowa elementu wirujcego. Przedstawione aspekty głównie zale od obcienia jednostki napdowej. Protokół, zestawienie otrzymanych wyników umieszczono w poniszej tabeli.
Tabela 1. Zestawienie otrzymanych wyników Badania wytrzymałociowe Pojazd samochodowy Prdko obrotowa wirnika Mercedes-Benz Actros Mercedes-Benz Sprinter Peugeot 308 80 000 min-1 26,36 MPa 31,24 MPa 110,2 MPa 120 000 min1 33,53 MPa 61,04 MPa 175,1 MPa 180 000 min1 92,91 MPa 122,01 MPa 301,06 MPa
Przemieszczenie łopatek wirnika Pojazd samochodowy Prdko obro-towa wirnika Mercedes-Benz Actros Mercedes-Benz Sprinter Peugeot 308 120 000 min1 0,03567 mm 0,05639 mm 0,1526 mm
Z analizy tabeli 1 potwierdza si fakt, i rozkład napre w wirniku turbosprarki wrasta wraz z obcieniem silnika spalinowego. Aby lepiej zobrazowa przedstawione stwierdzenie na rysunku 16 zilustrowano wykres zalenoci napre do prdkoci obrotowej wirnika.
Rysunek 16. Wykres zaleĪnoĞci rozkładu naprĊĪeĔ do prĊdkoĞci obrotowej wirnika turbosprĊĪarki Fundamentaln rónic w badanych wirnikach jest ich wielko, wymiar. Rónica w rednicach kół turbiny midzy najwikszym a najmniejszym wirnikiem wynosi blisko 35 mm. Z tego wzgldu naprenia wystpujce na wirniku pojazdu ciarowego s niewielkie, w stosunku do pozostałych badanych obiektów. Najwiksza warto powstałych napre pojawiła si na numerycznym mo-delu wirnika pojazdu osobowego.
Kolejnym badanym zjawiskiem było przemieszczenie, odchylenie łopatek wirnika turbospr-arki. Zdarzenie to wystpuje w wyniku reakcji sił masowych, a take rotacji wałka urzdzenia doładowujcego, na którym osadzone jest koło turbiny. W wyniku przeprowadzonych bada naj-wiksz warto odchylenia zaobserwowano na łopatkach wirnika pojazdu osobowego. Rónica pomidzy najwikszym przemieszczeniem a najmniejszym, jakie wystpiło w numerycznym mo-delu pojazdu ciarowego wyniosło 0,11693 mm.
3. Podsumowanie
W artykule zaprezentowano moliwo implementacji technik informatycznych na przykładzie programu CAD, wraz z nowoczesn technologia weryfikacji prototypu. System umoliwia realiza-cje oblicze inynierskich, które mona porówna z rzeczywistymi parametrami urzdze.
Kluczowym aspektem podczas realizacji zaplanowanych bada było uzyskanie skomplikowa-nych krzywizn łopatek wirnika. Dokładne odwzorowanie elementu jest istotnym procesem, gdy umoliwia poprawno prowadzonych bada.
W efekcie przeprowadzonych działa stworzono numeryczny model wirnika turbosprarki po-jazdu samochodowego. Powstał on za pomoc przeprowadzonych operacji modelowania w programie Autodesk Inventor 2015. Na otrzymanym modelu dokonano symulacji dynamicznej układu, uwzgldniajc wystpujce siły masowe, a take obcienia jednostki napdowej. Zweryfi-kowano rozkład napre wystpujcy na łopatkach wirnika oraz przeanalizowano odchylenie płaszczyzn łopatek od wartoci nominalnych.
Przedstawione narzdzia wspomagajce prace projektowe, umoliwiaj realizacji symulacji zmian parametrów urzdze oraz umoliwiaj modernizacj geometryczn bryły podczas konstruo-wania. Na podstawie zweryfikowanych modeli numerycznych, mona wywnioskowa, i rozwój
; <;; =;; ; >;;;; ?;;;;; ?>;;;; <;;;;; 3 5 6 7 8' 9 6 "# : 8 ;9 " 1 )@: %/" #) " 1 )@: %/! % ,+ #A;B
narzdzi CAD/ CAM/ CAE umoliwia przeprowadzenie skomplikowanych, zaawansowanych ana-liz wytrzymałociowych nowych prototypów.
Istnieje konieczno realizacji oceny moliwoci implementacji technik informatycznych w procesie konstruowania i projektowania kluczowych elementów wpływajcych na obcienie układów napdowych.
Bibliografia
[1] Łukasiewicz M., Kałaczyski T., Musiał J, Shalapko J. I.: Diagnostics of buggy vehicle trans-mission gearbox technical state based on modal vibrations, Journal of Vibroengineering, September 2014. Volume 16, Issue 6, Pages (2624–3168). Numbers of Publications from 1359 to 1407, ISSN 1392-8716.
[2] Liss M., ółtowski B., Kałaczyski T., Łukasiewicz M.: Naprawa powypadkowa a właĞciwoĞci konstrukcji noĞnej pojazdów, Studia i Materiały Polskiego Stowarzyszenia Zarzdzania Wiedz, – 2014, vol 68, s. 176–190, ISSN 1732-324X.
[3] Łukasiewicz M., Kałaczyski T., LISS M., Kanigowski J.: The Lms virtual.lab application in machines technical state analysis, Journal of Polish CIMAC Vol.9 No 3. 2014r.
[4] Kałaczyski T., Liss M., Łukasiewicz M., Sadowski A., Wojciechowski H.: Analiza metod ba-dania turbosprĊĪarek pojazdów samochodowych, Logistyka 4/2015, s. 3922–3931
[5] Kałaczyski T., Łukasiewicz M., Karolewski D., Badania wpływu układu klimatyzacji na para-metry pracy pojazdów samochodowych, Studia i Materiały Polskiego Stowarzyszenia Zarzdzania Wiedz – 2014, vol. 68, s. 113–128, ISSN 1732-324X.
[6] Rutkowski A., CzĊĞci maszyn, Wydawnictwo Szkolne i Pedagogiczne., Warszawa 2007. [7] Wyleoł M., CATIA. Podstawy modelowania powierzchniowego i hybrydowego. Helion.,
Gliwice.
[8] Sadowski A, ółtowski B, Kałaczyski T., Kozłowski T.: Badania symulacyjne układu napĊdo-wego samochodu ciĊĪaronapĊdo-wego, Studia i Materiały Polskiego Stowarzyszenia Zarzdzania Wiedz, – 2014, vol 69, s. 184–198, ISSN 1732-324X.
[9] Salk Natalie., Metal injection moulding of Inconel 713C for turbocharger applications, Powder Injection Moulding International, Vol. 5, No. 3, 2011.
[10] Wojciechowski H., Ocena wpływu parametrów turbosprĊĪarek na własnoĞci eksploatacyjne dla wybranych pojazdów samochodowych., Praca magisterska., Bydgoszcz 2016.
[11]ółtowski B., Łukasiewicz M., Kałaczyski T.: "Techniki informatyczne w badaniach stanu maszyn", Wydawnictwa Uczelniane Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego w Bydgosz-czy, Bydgoszcz 2012r.
THE MOVING BLADES STRENGH ANALYSIS OF TURBINE ROTORS IN SOLID MODELING
Summary
The paper presents the possibility of implementation of CAD / CAM / CAE in modeling process. Also shows the steps of turbochargers rotors numerical models development by CAD tools. The main part of the work description includes analysis of the rotor blades tensions and the verification of defection value. In addition presents the distributed tension formed by the reaction mass forces as well as the rotation of the rotor. The analysis was realized for different powertrains loads.
Keywords: turbocharger, turbine blade, tension, solid modeling, informative technics Tomasz Kałaczyski
Marcin Łukasiewicz Joanna Wilczarska Andrzej Sadowski Hubert Wojciechowski Zakład Pojazdów i Diagnostyki Wydział Inynierii Mechanicznej
Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy e-mail: kalaczynskit@utp.edu.pl
