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21.06.12 EnDes AG 1
Frischluftventilator für Kohlekraftwerk: Torsionsanalyse auslegungsrelevanter
Umschaltvorgänge des Antriebes
Rotordynamikmit
ANSYS 13.0vs
MATLAB/Simulink
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2
1 - Executive Summary 2 - Rotordynamik – Vorbemerkungen3 - Untersuchtes System4 - Rotordynamik mit ANSYS5 - Rotordynamik mit MATLAB6 - Ergebnisse und Auswertungen7 - Vergleich Ergebnisse
EnDes AG21.06.12
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3EnDes AG21.06.12
Frischluftventilator
Für hohe Verfügbarkeit der Frischluft- und Abluftventilatoren ist entsprechende Engineering- und Auslegungssicherheit erforderlich
1 Executive Summary
Ausgangslage
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4EnDes AG21.06.12
• Auslegungsrelevant sind die Torsionsmomente bei den (transienten) Umschaltvorgängen des Antriebes:
• Anfahren• 2-poliger Klemmenkurzschluss• 3-poliger Klemmenkurzschluss• Netzumschaltung.
1 Executive Summary
• Lieferanten arbeiten mit Simulationstools unterschiedlicher Flexibilität und Güte
• Es fehlt an Evidenz in der Beurteilung von Lieferanten-Simulationen.
• In jüngerer Vergangenheit aufgetretene Schadensfälle
Ausgangslage
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5EnDes AG21.06.12
• Auslegungen von Ventilatorenlieferanten „neutral“ überprüfen
1 Executive Summary
• Ergebnisse mit 2 verschiedenen Tools, ANSYS und MATLAB, sind nahezu identisch
• keinerlei Abstimmungen zwischen den beiden Tools durchParamterkorrekturen erforderlich
• Lieferanten sind mit Arbeits- undVerfahrensanweisungen zuverlässig lenkbar
Aufgabenstellung
Ergebnis
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6EnDes AG21.06.12
Rotor Punktmasse / MassenträgheitGyroskopische Effekte
(Elastische) Wellenstruktur
Masse/MassenträgheitGyroskopische Effekte
Lagerung Starr/elastischIsotrop/anisotropDämpfung
Dichtungen SteifigkeitsbeitragDämpfungsbeitrag
Anregungen, Lasten
Unwuchten, SchrägstellungenÄussere Kräfte, MomenteFluidkopplungen
2 Rotordynamik – einige Vorbemerkungen
Typische Elemente
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7EnDes AG21.06.12
Biege- und Kreiselschwingungsformen
2 Rotordynamik – einige Vorbemerkungen
Grundarten von Schwingungen
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8EnDes AG21.06.12
2 Rotordynamik – einige Vorbemerkungen
Grundarten von Schwingungen
Torsionsschwingungen
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9EnDes AG21.06.12
Kritische Drehzahlen (Drehfrequenz = Eigenfrequenz)
2 Rotordynamik – einige Vorbemerkungen
Typische Fragestellungen
ModalanalyseCampbell-Diagramm (Eigenfrequenz-Drehzahl-Diagramm)
Torsionseigen-frequenzen sindin der Regel nicht drehfrequenz-abhängig
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10EnDes AG21.06.12
2 Rotordynamik – einige Vorbemerkungen
Typische FragestellungenModalanalyse
Stabilitätsaussage(Dämpfungs-Drehzahl-Diagramm, Orbit-Plot)
Systemantwort auf äussere KräfteUnwucht-/SchrägstellungskräfteAnregungen, z.B. von Antrieben, Getrieben
Normierte Systemantwort (Amplituden-Drehzahlverläufe)
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11EnDes AG21.06.12
3 Untersuchtes System
Prinzipieller Gebläse-Aufbau
Druckseite
SaugseiteLüfterrad
Stufe 1Kupplung
ASM
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12EnDes AG21.06.12
3 Untersuchtes System
LüfterradStufe 2
LüfterradStufe 1
Maschinendyamisches Grobmodell
KupplungZwischenwelle
ASM
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13
• Anfahrvorgang• 2-poliger Klemmenkurzschluss• 3-poliger Klemmkurzschluss• Netzumschaltung bei 100% Restspannung• Diese Vorgänge sind transient
EnDes AG21.06.12
)cos()( 00 ϕω +⋅⋅−= ⋅− teMBMAtM tD
3 Untersuchtes System
Für die Auslegung relevantsind die Torsionsmomentein Motor-Gebläse-Kupplungund Zwischenwelle. Denn diezulässigen Torsionsmomentewerden dem Gebläselieferantenvom Unterlieferanten Kupplungs-hersteller „global“ mitgeteilt.
Auslegungsrelevante Lastfälle
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14EnDes AG21.06.12
( ) UUOd
L MnMMn
nnnM )sgn()( 2 +−⋅
⋅=
3 Untersuchtes System
Lastmoment Gebläse
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15EnDes AG21.06.12
Modell Erläuterung Vorteile NachteileVoll 3D-Modell
Vollständige, komplexe 3-D Geometrie z.B. mit Schaufelblättern
Genaue Abbildung, Detailspannungen
Rechenzeit
4 Rotordynamik mit ANSYS
Modellart
2-D Modell
2-D-Querschnitt der Geometrie, geometrische Vereinfachungen, für rotations-symmetrische Teile
Verringerung der Rechenzeit zum Voll-3-D Modell
Ggf. Verlust von Detailspan-nungenNur ANSYS Classic
Balken-Modell
Liniengeometrie, Massen als Massepunkte mit Trägheiten
Sehr geringe Rechenzeit
Keine Detailspan-nungen
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16EnDes AG21.06.12
MASS 21: Einbringen von Massen und Trägheiten in das Modell
4 Rotordynamik mit ANSYS
Elementtypen
COMBIN14: Balkenelemente miteinander verbinden, Steifigkeitsowie Dämpfung einstellen.
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Lastmomente über Tabellen
EnDes AG21.06.12
Aufgrund des Lastmoment-verlaufs des Antriebes isttransiente Berechnung erforderlich.
4 Rotordynamik mit ANSYS
Einbringen der Lastmomente
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18EnDes AG21.06.12
4 Rotordynamik mit ANSYS
Durchgeführte Simulationen
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19EnDes AG21.06.12
Hauptergebnisse• Zeitlicher Verlauf der Torsionsmomente• Eigenfrequenzen
4 Rotordynamik mit ANSYS
Simulationsergebnis ANSYS
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20EnDes AG21.06.12
5 Rotordynamik mit MATLAB
Grundlagen für das MATLAB-Modell
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21EnDes AG21.06.12
5 Rotordynamik mit MATLAB
MATLAB-Modell des Dreimassenschwingers
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22EnDes AG21.06.12
5 Rotordynamik mit MATLAB
MATLAB-Modell des Anfahrmomentes1 2 3
Die Kennlinie des Anfahrmomentesist in drei Bereiche Unterteilt (schlupfabhängig)
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23EnDes AG21.06.12
Hauptergebnisse• Zeitlicher Verlauf
Torsionsmomente• Eigenfrequenzen
5 Rotordynamik mit MATLAB
Simulationsergebnis MATLAB (selbst programmierte Plots)
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24EnDes AG21.06.12
6 Ergebnisse und Auswertungen
Vergleich Torsionsmoment Anfahren, ungedämpft
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25EnDes AG21.06.12
6 Ergebnisse und Auswertungen
Vergleich Torsionsmoment Anfahren, gedämpft
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26EnDes AG21.06.12
• Die errechneten Werte der Torsionsmomente sind für beideTools nahezu identisch, ohne durch Einstellungen anParameterwerten Korrekturen vornehmen zu müssen.
7 Vergleich Ergebnisse – Vorteile/Nachteile
Bewertung/Vergleich Torsionsmoment
• Für diese Aufgabenstellung mit nur geringenFehlermöglichkeiten bieten beide Tools auf völligunterschiedlichen Wegen unmittelbar gut Ergebnisse.
• Für Anwender in der Dynamik-Auslegung gilt: es dürfen hierkeine Abweichungen bei Verwendung unterschiedlicher Toolsauftreten.
• Lieferanten können durch entsprechend detaillierteVerfahrensanweisungen zuverlässig gelenkt werden
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27EnDes AG21.06.12
System
Anforderung
„Klassische“ Simulation
MATLAB/Simulink
Finite Elemente Methode
ANSYS
Berechnungs-gleichungen
System von DGLn selberherleiten, auf das Problem zugeschnitten
DGLn und Algorithmen vorhanden, Projekt-spezifika werden an derBedieneroberflächeeingegeben
Geometrie-eingabe
Parameter in DGLn / RBNur globale Geometrie-eingabe handelbar(Punktmassen mitMassenträgheit)
Verwendung der CAD-Geometrie möglich.Zusammen mit Auto-Meshing geringeModellierungszeit.
7 Vergleich Ergebnisse – Vorteile/Nachteile
Vergleich Simulationstools
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28EnDes AG21.06.12
7 Vergleich Ergebnisse – Vorteile/Nachteile
System
Anforderung
„Klassische“ Simulation
MATLAB/Simulink
Finite Elemente Methode
ANSYS
RB, Lasten, Lagerungen, Kontakt-bedingungen
Müssen in die DGLneingebracht werden bzw.als separate Modelle mitdem Grundmodell ver-knüpft werden
Vordefinierte Eingabe-Verfahrenund -Masken
Bedienung
DGLn, RB und Kräfte inBlockschaltbilder umsetzen
Bedieneroberflächeähnlich CAD-SoftwareMächtiges Tool/komplexerAufbau der Bediener-oberfläche
Vergleich Simulationstools
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29EnDes AG21.06.12
7 Vergleich Ergebnisse – Vorteile/Nachteile
System
Anforderung
„Klassische“ Simulation
MATLAB/Simulink
Finite Elemente Methode
ANSYSEDV-System-anforderungen
Gering Hoch
Rechenzeiten Gering projektspezifisch
Ergebnisse
Ergebnis istProgrammierungs-abhängigEs sind aber nur „globale“ Ergebnissesinnvoll erzielbar
Kritische Drehzahlen, Unwuchtamplituden, Modalanalyse, Stabili-tätsaussagen/Orbit, Detailspannungen, Verformungen, Lager-Belastungen, Fluid-Struktur-Kopplung
Vergleich Simulationstools
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30EnDes AG21.06.12
7 Vergleich Ergebnisse – Vorteile/Nachteile
Vergleich SimulationstoolsSystem
Anforderung
„Klassische“ Simulation
MATLAB/Simulink
Finite Elemente Methode
ANSYS
Darstellung
programmierbare Plots,programmierbareBenutzeroberfläche
Vordefinierte Befehle undButtons für die Dar-stellung aller relevantenErgebnisse3D-Darstellung vonSpannungen undVerformungenPlots Eigenfrequenzen(Campbell-Diagramm)usw.
Universalität +++ +++
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31EnDes AG21.06.12