Praktikumsarbeit
Untersuchung und Bestimmung der Stutzenkräfte und -momente an Turboverdichtern (Sep - Dez 2010) |
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Inhaltsverzeichnis1. Übersicht / Abstract2. Einführung 3. Zum Stand der Technik - State of the Art 4. Zur Theorie 5. Ergebnisse 6. Zusammenfassung 7. Ausblick 8. Quellen 9. Impressum 10. Originalarbeit |
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1. Übersicht
Um den ordnungsgemäßen Betrieb eines Turboverdichters gewährleisten zu können, ist die Bestimmung und Auslegung der zulässigen Stutzenkräfte und -momente äußerst wichtig.
Im Einzelnen sind folgende Punkte zu bearbeiten:
- Beurteilung der bisher angewendeten analytischen Abschätzung
- Festlegung geeigneter Baugrößen der Verdichter für die Analyse
- Modellaufbau unter Berücksichtigung geeigneter Vereinfachungen mittels Pro/E® (Pro/E)
- Definition der Randbedingungen für FE-Analyse (FE)
- FE-Analyse mittels Pro/Mechanica®
- Abschlussbericht einschließlich Vorgaben für zukünftig zulässige Stutzenkräfte und -momente
In ensuring the proper operation of turbocompressors, the determination of allowable nozzle forces and moments is of utmost importance.
In determining these forces and moments, the following points must be taken into account:
- Assessment of earlier calculations
- Determining suitable sizes of turbomachines for the analysis
- Model simulation with suitable simplification in Pro/E® (Pro/E)
- Determining of the boundary conditions for the FE-analysis (FE)
- FE-analysis with Pro/Mechanica®
- Report including guidelines for future determination of allowable forces and moments on nozzles
2. Einführung
Bei der Auslegung und Inbetriebnahme von Turbomaschinen spielen die zulässigen Stutzenkräfte und -momente eine wichtige Rolle. Um die Thematik besser zu verstehen, soll hier ein kurzer Exkurs in die Funktion der Turbokompressoren erfolgen.
Die in dieser Dokumentation behandelten Verdichter sind Radialkompressoren und richten sich nach dem Aufbau in Bild 1.1. Neben vielen kleinen Bauteilen bestehen die untersuchten Kompressoreinheiten beginnend von links nach Bild 1.1 aus Getriebekasten, Spiralgehäuse, Einlaufgehäuse, Vorleitgehäuse und Einströmring. In Abbildung 1.1 nicht sichtbar ist das sich im Inneren befindende Laufrad mit der Rotorwelle sowie der Vorleiteinsatz mit den Vorleitschaufeln. Alle genannten Bestandteile des Turbokompressors sind nötig, um angesaugtes Prozessgas zu verdichten.
 Bild 1.1 |
Bei den Prozessgasen handelt es sich meistens um Luft, Kohlenwasserstoffgemische sowie methanhaltige und wasserstoffreiche Gase, die bis auf 5 MPa verdichtet werden. Weiterhin werden Volumenströme von bis 200 m/h erreicht.
Wie wird diese Komprimierung technisch umgesetzt?
Die Rotorwelle mit dem Laufrad wird über eine Übersetzung im Getriebekasten durch einen Asynchronmotor angetrieben. Ist das Laufrad einmal in Rotation versetzt, saugt es aufgrund seiner besonderen Form das Prozessgas axial an und erhöht dessen Strömungsgeschwindigkeit. Nach der Erhöhung der Geschwindigkeit wird das Gas in den Diffusor des Spiralgehäuses geleitet. Dort wird schlagartig die Strömungsgeschwindigkeit aufgrund der sich öffnenden Trichterfom des Diffusors nahezu verlustfrei verringert. Die physikalischen Folgen sind Druck- und Temperaturerhöhung.
Auf die genauen thermodynamischen Vorgänge sowie den detaillierten Aufbau der Turbokompressoreinheit soll an dieser Stelle verzichtet werden. Sie spielen bei der Untersuchung der vorrangig statischen Problemen eine untergeordnete Rolle.
Das angesaugte sowie abgegebene Prozessgas wird über Rohrleitungen an die Anlage herangeführt. Diese Leitungen können mitunter Längen von mehreren Metern sowie Durchmesser von bis zu 1000 mm besitzen. Durch eine Erhöhung der Umgebungstemperatur durch abgegebene Wärme der Kompressoranlage dehnen sich diese Rohrleitungen aus und rufen Kräfte und Momente sowohl am Saugstutzen als auch am Druckstutzen hervor. Werden die zulässigen Werte für die Anschlüsse überschritten, kann dies zu verheerenden Folgen für die komplette Anlage führen.
Auf dem Gebiet der Berechnung der zulässigen maximalen Stutzenkräften und -momenten an Turboverdichtern ist bisher wenig bekannt, sodass in der Vergangenheit bei der Auslegung von zulässigen Stutzenkräften und -momenten auf Erfahrungswerte zurückgegriffen werden musste. Weiterhin ist kein offzieller Fall dokumentiert, bei dem die zulässigen Werte überschritten worden und es zu Folgeschäden kam.
Diese Praktikumsarbeit analysiert zunächst die bisher bekannten theoretischen Grundlagen zu Stutzenkraften und -momenten und gibt anschließend Auskunft über deren Verwendbarkeit. Anschließend folgt eine detaillierte Analyse der bisher verwendeten Lastfälle ausgewählter Kundenaufträge. Danach wird ein Vorauslegewerkzeug erläutert, mit dem es möglich ist, resultierende Stutzenkräfte und -momente an der Befestigungsstelle zwischen Getriebekasten und Spiralgehäuse zu errechnen. Weiterhin wird an einem konkreten Beispielauftrag ein Finites-Element-Modell erläutert, mit dem Richtwerte für zulässige Stutzenlasten ermittelt werden können. Abschlißend erfolgt ein Ausblick für zukünftige zulässige Stutzenkräfte und -momente.
3. Zum Stand der Technik - State of the Art
Das American Petroleum Institute ist der größte Interessenverband der Öl- und Gasindustrie einschließlich der petrochemischen Industrie in den USA. Dieser Verband erarbeitet unter anderem technische Standards und Richtlinien für Turboverdichter.
In der API Standard 617, Chapter 2-ANNEX 2E.: Forces and Moments on nozzles (July 2002) werden Standards für zulässige Stutzenkräfte und -momente an Turboverdichtern vorgegeben. Diese Norm bildet die Grundlage für die Bearbeitung der Problemstellung.
Aufgrund des Urheberrechts können jedoch die Inhalte der API 617 an dieser Stelle nicht veröffentlicht werden.
4. Zur Theorie
Berechnung resultierender Stutzenkräfte und -momente
Die zulässigen Stutzenkräfte und -momente werden auf dem Maschinenaufstellungsplan für die Anlagengrenze eines Turboverdichters angegeben. Die Angriffspunkte für die entsprechenden Lastkollektive liegen nicht immer direkt am Spiralgehäuse. Eine Berechnung der resultierenden Stutzenkräfte und -momente am Spiralgehäuse und Getriebehalbflansch ist für weitere Betrachtungen äußerst sinnvoll.
Bricht man das Analyseproblem auf eine rein schematische Betrachtungsweise herunter, ergibt sich das allgemeine Kräftesystem in Abbildung 4.1.
 Bild 4.1 |
Die Lastkollektive greifen am Druckstutzen und Saugstutzen gleichermaßen an und müssen auf ein resultierendes Lastkollektiv transformiert werden.
Umsetzung als Excel Eingabeformular
Um die Eingabe und Ausgabe der Stutzenkräfte und -momente komfortabler zu machen, wurden die Ergebnisse von obrn als EXCEL-Formular umgesetzt. Die Eingabewerte sind modellspeziefisch und müssen für jeden Auftrag neu ermittelt werden. Um der Gefahr vorzubeugen, definierte Gleichungen unbeabsichtigt zu löschen, wurde die Formularvorlage auf einer VBA-Makro Basis programmiert. Diese sind nur per Passwort editierbar.
Das EXCEL-Sheet gibt nach Eingabe der geforderten Daten die resultierenden Stutzenkräfte und -momente jeweils an der Saugseite, Druckseite und Getriebeseite des Spiralgehäuses aus.
Die Ergebnisse des Excel-Formulars können auch mit der FEM-Software Pro/MECHANICA ermittelt werden. Die Rechenzeiten für diesen Vorgang sind jedoch bei Pro/MECHANICA weitaus höher, als bei Excel.
(Aufgrund des Sperrvermerks der Siemens Turbomachinery Equipment GmbH können detailierte Ergebnisse nicht veröffentlicht werden.)
5. Ergebnisse
Die genauen Ergebnisse der FE-Analyse obliegen dem Sperrvermerk der Siemens Turbomachinery Equipment GmbH.
Bild 5.1
6. Zusammenfassung
Ziel dieser Praktikumsarbeit sollte die Beantwortung der Frage:"Welche Stutzenkräfte und -momente sind für Turboverdichter zulässig?" sein. Um in das Thema der Stutzenkräfte und -momente einzuführen, wurde zunächst der allgemeine Aufbau der behandelten Turbokompressoreinheiten näher erläutert und deren Funktion diskutiert.
Anschließend wurde mit der technischen Norm, API 617-Chapter 2 eine erste Antwort auf die obengenannte Frage gegeben.
Im ersten Schritt der Untersuchung berechnete man die resultierenden Lasten vom Spiralgehäuse an dem Getriebekasten. Die Ergebnisse der resultierenden Lasten wurde über ein Excel-Tool ausgegeben.
Danach wurden umfassende FEM-Analysen durchgeführt und einige Bauteile der Turbokompressoreinheit untersucht.
Eine eindeutige Antwort, auf die eingangs gestellte Frage, kann zum Zeitpunkt der Praktikumsarbeit nicht gegeben werden. Es können aber Tendenzen für kritische bzw. unkritischere Stutzenkräfte und -momente angegeben werden.
(Aufgrund des Sperrvermerks der Siemens Turbomachinery Equipment GmbH können detailierte Ergebnisse nicht veröffentlicht werden.)
7. Ausblick
Für fundiertere Ergebnisse sollten folgende Untersuchungen vorangetrieben werden:
- Einfluss der unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften einzelner Bauteile auf Verformungen
- Auswirkungen von einzelnen Kraft- bzw. Momentenkomponenten (Welche Komponenten rufen die größten Verschiebungen hervor?)
- Validierung der Ergebnisse durch vereinfachten realen Modellversuch
- Erweiterungen der behandelten Maschinentypen von einstufige auf mehrstufige Verdichter
- Temperatureinflüsse auf die zulässigen Stutzenkräfte und -momente
- Weiterer Erfahrungsaustausch mit anderen STE-Firmen über den Umgang mit Stutzenkräften und -momenten
Und nicht zu letzt muss die Anzahl der untersuchten Projekte deutlich erhöht werden.
8. Quellen
9. Impressum
| Betreuer (HTWK) | |||||||
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| Betreuer (STE-Leipzig) | |||||||
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10. Originalarbeit
Originalarbeit unterliegt Sperrvermerk