Optimierung der Eintrittsleitapparatur ELA 310 am Topfverdichter t950

Optimization of inlet guide vane unit ELA 310 on turbocompressor t950

Tony Porsch
Assignment 01.06.2014

Inhaltsverzeichnis

1. Übersicht / Abstract

2. Einführung

3. Zum Stand der Technik - State of the Art

4. Analyse des Verstellmechanismus

5. Ergebnisse

6. Zusammenfassung

7. Ausblick

8. Quellen

9. Über den Autor

10. Impressum

11. Originalarbeit

1. Übersicht

In der Öl-, Gas- aber auch Prozessgasindustrie sind Getriebeverdichter weit verbreitet, um im großen Maße Prozessgase zu verdichten. Um den Fluidstrom beim Eintritt in einen Getriebeverdichter zu steuern, wird eine Vorleiteinrichtung verwendet. Die Vorleiteinrichtung, die aus im Kranz angeordneten, drehbar gelagerten Vorleitschaufeln besteht, beeinflusst die Zuströmung zum Laufrad. Im Verstellbereich der Schaufeln zwischen 0° bis 70° wird nahezu verlustfrei die Strömung umgelenkt und vordrallbehaftet zum Laufrad geführt. Bei weiter geschlossenen Vorleitgitter tritt immer mehr die Drosselwirkung ähnlich einer Blende hervor. Durch Schließen der Eintrittleitapparatur wird der geförderte Volumenstrom verringert. Typischerweise bis auf 65 % des Nennförderstroms bei einem Schließungswinkel von 0°.

In der STE-Leipzig wurde bisher der Antrieb der Vorleitschaufeln über eine Zahnstange realisiert. Da jedoch bei dieser konstruktiven Anordnung verstärkt Undichtigkeiten am Verdichter festgestellt wurden, soll diese konstruktive Lösung durch einen Hebelantrieb ersetzt werden. Ziel dieser Projektarbeit soll es sein, einen bestehenden Hebelantrieb zu analysieren und anschließend zu optimieren.

Im Einzelnen sind folgende Punkte zu bearbeiten:

  1. Kinematische Analyse der Eintrittsleitapparatur (ELA) Duisburg
  2. Kinetostatische Analyse der ELA-Duisburg
  3. Anpassung der ELA-Duisburg an Gegebenheiten der STE-Leipzig
  4. Vergleich ELA-Duisburg und ELA-Leipzig (Kinematik, Kinetostatik)
  5. Optimierung ELA-Leipzig und Formulierung konstruktiver Hinweise

Abstract

Coming soon.

2. Einführung

Die in der STE-Leipzig hergestellten Verdichter sind im Wesentlichen Radialkompressoren mit integriertem Getriebe und richten sich nach dem Aufbau in Bild 1.1.

Neben vielen kleinen Bauteilen bestehen die untersuchten Kompressoreinheiten beginnend von links nach rechts, in Bild 1.1 aus Getriebekasten, Spiralgehäuse, Einlaufgehäuse, Vorleitgehäuse und Einströmring. In Bild 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. Bei den Prozessgasen handelt es sich vorwiegend um Luft, Kohlenwasserstoffgemische sowie methanhaltige und wasserstoffreiche Gase, die bis auf 5 MPa verdichtet werden. Weiterhin werden Ausgangs-Volumenströme von 80 ⋅ 103 bis 120 ⋅ 103 m3∕h erreicht.

Wie wird diese Komprimierung technisch umgesetzt? Die Rotorwelle mit dem Laufrad wird über eine Übersetzung im Getriebekasten, im Normalfall über 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 radial aus dem Laufrad in den Diffusor des Spiralgehäuses geleitet. Dort wird die Strömungsgeschwindigkeit aufgrund der sich öffnenden Trichterform 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 Probleme eine untergeordnete Rolle. [1, S. 11-12]

Um die Menge an einströmenden Prozessgasen regulieren zu können, wird am Getriebeverdichter eine Vorleiteinrichtung verwendet. Eine Vorleiteinrichtung besteht nach Bild 1.2 aus elf im Kranz angeordneten Vorleitschaufeln, die drehbar im Vorleitgehäuse gelagert sind. Am Schaufelschaft jeder Vorleitschaufel befindet sich ein Verstellritzel, das jeweils mit dem Zahnkranz verbunden ist. Wird der Zahnkranz radial verdreht, werden durch die Ritzelverbindungen auch die Vorleitschaufeln in Rotation versetzt. Die Schaufeln in ihrer Gesamtheit fungieren als Drossel, die den zu fördernden Volumenstrom reguliert.

 
 
Bild 1.1: Einstufiger Getriebeverdichter
a–Getriebekasten, b–Teil Stellzylinder,
c -Vorleiteinrichtung,d–Spiralgehäuse
Bild 1.2: Vorleiteinrichtung mit Zahnstange
a–Verstellritzel, b–Vorleitschaufel, c–Zahnkranz, d–Beginn Stellzylinder, e–Zahnstange, f–Vorleitgehäuse

Der Antrieb des Zahnkranzes, gelagert auf dem Vorleitgehäuse, ist ein entscheidendes Konstruktionskriterium. STE-Leipzig realisierte den Antrieb des Zahnkranzes in der Vergangenheit über eine Zahnstange, die vertikal nach Bild 1.2 in den Mechanismus eingreift. Die translatorische Bewegung der Zahnstange wird über einen Stellzylinder, der direkt mit der Stange verbunden ist, umgesetzt.

Die Abdichtung dieser translatorischen Bewegung wird über einen Faltenbalg1 realisiert. Diese Konstruktionslösung ist jedoch für hohe Drücke als ungeeignet einzuschätzen.

Eine alternative Lösung des Partnerwerks in Duisburg besteht darin, die Leitschaufeln mithilfe eines Hebelmechanismus direkt oberhalb des Zahnkranzes zu realisieren. Ziel dieser Projektarbeit soll es sein, die konstruktive Lösung des Hebelmechanismus an die geometrischen Verhältnisse der STE-Leipzig anzupassen und zu optimieren.

 

3. Zum Stand der Technik - State of the Art

Neben der Möglichkeit, den Zahnkranz der Vorleiteinrichtung über eine Zahnstange anzutreiben, existiert eine weitere Konstruktionsvariante: Die Übertragung der Translationsbewegung des Stellzylinders über einen Hebelmechanismus. Der Hauptvorteil dieser Konstruktion liegt in der Tatsache, dass die Abdichtung zur Atmosphäre gegen eine rotatorische Bewegung erfolgt und dafür erprobte Dichtringe bis zu mehreren 100 bar zur Verfügung stehen.

 [Fehlender Auszug unterliegt dem Sperrvermerk der Siemens Turbomachinery Equipment GmbH]

Die Konstruktionslösung der Eintrittsleitapparatur des Partnerwerks Duisburg kann nicht unverändert in der STE-Leipzig eingesetzt werden, was in anderen geometrischen Abmaßen der Vorleiteinrichtung zu begründen ist. Dieser Umstand macht es erforderlich, den Verstellmechanismus anzupassen. Im Wesentlichen unterscheidet sich die konstruktive Anpassung durch zwei Dinge:

  1. Die Gabel der angepassten Konstruktion muss verlängert werden, um die geometrischen Anforderungen der STE-Leipzig zu erfüllen.
  2. Die Verbindung zwischen Vorleitschaufel und Zahnkranz werden über Verstellritzel anstatt Koppelgelenken realisiert.

Der Grobentwurf dieser Anpassungen ist in Bild 2.2 zu betrachten.

Ein essentieller Gesichtspunkt bei der Auslegung des Verstellmechanismus ist die Kenntnis des benötigten Verstellmomentes am Mitnehmer, um die Vorleitschaufeln während des Betriebes des Verdichters in Bewegung zu versetzen. STE-Leipzig stützt die zu verwendeten Verstellmomente bisher auf Erfahrungswerte, die jeweils an die Verdichtergröße angepasst werden. Dagegen existieren für die Verstellmomente nach Duisburger Bauart1 konkrete Berechnungsvorgaben bzw. Auslegungsformeln. Inwieweit diese Verstellmomente für die STE-Leipzig genutzt werden können, soll in folgenden Kapiteln beantwortet werden.

 

4. Analyse des Verstellmechanismus

1.1 Bildung eines Ersatzmodells

Um die Analyse des Verstellmechanismus zu vereinfachen und nur die wesentlichen Bestandteile zu betrachten, muss ein Ersatzmodell gebildet werden. Das Modell soll genau zwei Anforderungen erfüllen:

  1. Abbildung aller geometrischen Längen bzw. Verhältnisse
  2. Abbildung aller durchlaufenden Winkel analog zum Originalmodell

Im Detail kann der Zahnkranz inklusive Gabel auf ein Koppelgelenk reduziert werden. Koppel bzw. Mitnehmer sind analog auf jeweils ein Gelenk abbildbar, sodass ein Viergelenk entsteht.

Das Gelenkviereck reproduziert die geometrischen Verhältnisse des Originalmodells und liefert alle Verstellwinkel, die auch am Originalmodell auftreten.

Die Verbindung zwischen Zahnkranz und Vorleitschaufel –Koppelgelenk bzw. Zahnradverbindung– ist im Ersatzmodell nach Bild 1.1 ebenfalls modelliert, spielt jedoch in der weiteren Betrachtung eine untergeordnete Rolle. Mithilfe der favorisierten Zahnradverbindung aus Kapitel ?? kann durch Bildung eines Übersetzungsverhältnisses die Rotationsbewegung der Vorleitschaufeln genau bestimmt werden. Auf eine detaillierte Modellierung dieser Verbindung kann damit verzichtet werden.

 [Fehlender Auszug unterliegt dem Sperrvermerk der Siemens Turbomachinery Equipment GmbH]

Eine Konvention, die mit Einführung des Ersatzmodells einhergeht, ist die Festlegung des Verstellwinkels der Vorleitschaufeln. Nach Bild ??? bis ??? sind die Vorleitschaufeln bei -40° maximal geöffnet und bei +80° minimal geschlossen. Eine drallfreie Zuströmung erfolgt bei 0° Schaufelstellung.

4.2 Kinematische Analyse des Verstellmechanismus

Nach Bild 1.1 werden die Koppellängen mit a, b, c und d bezeichnet. Die Länge a spiegelt dabei keine Koppel im eigentlichen Sinne wider, sondern steht für den vertikalen Achsabstand1 zwischen oberen und unteren Gelenk.

Desweiteren wird der sich aufspannende Winkel um die Koppel b als Antriebswinkel ψ, der Winkel an d als Abtriebswinkel φ definiert. Die Gelenkwinkel zwischen b und c bzw. c und d werden als β und η deklariert. Das Ergebnis der Bezeichnungskonvention ist in Bild 1.2 dargestellt.

 [Fehlender Auszug unterliegt dem Sperrvermerk der Siemens Turbomachinery Equipment GmbH]

4.3 Kinetostatische Analyse des Mechanismus

Für die statische Betrachtung des Verstellmechanismus muss das Gelenkviereck, wie in Bild ?? dargestellt, in zwei Körper freigeschnitten werden.

 [Fehlender Auszug unterliegt dem Sperrvermerk der Siemens Turbomachinery Equipment GmbH]

4.4 Praktische Analyse mithilfe von Wolfram Mathematica

Auf Grundlage der theoretischen Zusammenhänge für die Kinematik und Statik des Verstellmechanismus, kann eine praktische Analyse mithilfe des objektorientierten Mathematikprogramms Wolfram Mathematica erfolgen. Dabei wird der Mechanismus als Gelenkmodell, wie Bild 1.3 zeigt, grafisch dargestellt und mithilfe des Manipulate-Befehls als wählbare Parameter2 definiert.

 [Fehlender Auszug unterliegt dem Sperrvermerk der Siemens Turbomachinery Equipment GmbH]

Die analytischen Ergebnisse aus den vorangegangen Abschnitten können in Echtzeit durch Eingabe der vorher definierten Parameter3 ausgegeben werden, sodass ein Werkzeug zur iterativen Optimierung des Mechanismus zur Verfügung gestellt werden kann. Eine detaillierte Auseinandersetzung mit den Ergebnissen dieser Analyse findet in Kapitel 5 statt.

 

5. Ergebnisse

  [Fehlender Auszug unterliegt dem Sperrvermerk der Siemens Turbomachinery Equipment GmbH]

 

6. Zusammenfassung

Die Eintrittsleitapparatur eines Getriebeverdichters regelt den Fluidstrom des einströmenden Prozessgases mithilfe eines Verstellmechanismus, das im Kranz angeordnete Vorleitschaufeln antreibt. Ziel dieser Projektarbeit ist es, einen bestehenden Verstellmechanismus des Partnerwerks in Duisburg1 zu analysieren und eine eigene Entwicklung für die STE-Leipzig zu erarbeiten. In einer ersten Annäherung zur Lösung des Problems kann ein Ersatzmodell des Verstellmechanismus geschaffen werden, das aus drei Koppelstangen besteht, die jeweils miteinander verbunden und am oberen bzw. unteren Gelenk gelagert sind. An diesem Ersatzmodell wird mithilfe der Schleifengleichung die Kinematik des Gelenkvierecks für jede beliebe Antriebswinkelstellung ψ abgebildet. Auf Grundlage der genau definierten Kinematik ist es möglich, eine kinetostatische Betrachtung durchzuführen, die die genauen Kraft- und Momentenverläufe der angreifenden Belastungen widerspiegeln. Für die Analyse des Ausgangs-Verstellmechanismus kann auf Basis der kinematischen und kinetostatischen Analyse ein Optimierungswerkzeug mithilfe des objektorientierten Mathematik-Programms, Wolfram Mathematica, entwickelt werden, das eine detailgetreue und vor allem zeitsparende Untersuchung zulässt.

Das Ergebnis dieser Untersuchung liefert einen optimierten Verstellmechanismus mit den Koppelabmessungen von a = 355 mm, b = 298 mm und c = d = 63 mm bei gleichzeitiger Erfüllung der Ausgangskriterien von

  • Lagerabstand a = 355 mm,
  • Antriebswinkel ϕ im Intervall von 0° bis 60° und
  • Abtriebswinkel ψ im Intervall von 0° bis 12°.
Es kann gezeigt werden, dass der optimierte Verstellmechanismus eine Abtriebsmomentensenkung im zulässigen Bereich von 2 % und eine Normalkraftverringerung in den Koppeln b und c um rund 35 % besitzt und damit für weitere Baugrößenentwicklungen als vorteilhaft zu bewerten ist. Den Abschluss dieser Projektarbeit bildet die genauere Beleuchtung der Verbindung des Stellrings mit den Vorleitschaufeln über Verstellritzel, anstelle eines Koppelgelenks. Es wird dargestellt, dass die Realisierung über ein Verstellritzel höhere Verstellmomente ermöglicht
 

7. Ausblick

Die Ergebnisse dieser Dokumentation bieten die Möglichkeit, weitere Analysen und Berechnungen auf dem Gebiet der Konstruktion einer Eintrittleitapparatur voranzutreiben. Folgende Schwerpunkte sollten bei weiteren Betrachtungen bearbeitet werden:

  1. Einfluss der Reibung: Bei allen bisherigen Betrachtungen wurde angenommen, dass es sich bei dem Verstellmechanismus um ein reibungsfreies System handelt. In der Realität treten jedoch an den Gelenkverbindungen zwischen den einzelnen Koppel Reibverluste auf, die genauer untersucht und in Relation zur reibungsfreien Analyse gesetzt werden sollten.

  2. Konstruktive Gestaltung des Mechanismus: Anhand der Kraft- und Momentenverläufe sowie vorgeschlagenen Koppellängen für die optimierte Eintrittsleitapparatur ist es möglich, konstruktive Entwürfe für den Verstellmechanismus zu entwickeln und anschließend mithilfe einer statischen Finiten Element Analyse auf Festigkeit zu überprüfen.

  3. CFD-Analyse: Anhand einer Strömungssimulation sollte festgestellt werden, welches Verstellmoment für den Antrieb der Vorleitschaufeln benötigt wird, um die Regelung des Fluidstroms störungsfrei zu gewährleisten. Dieses „real“ benötigte Verstellmoment kann dem Antriebsmoment entsprechend angepasst und die Optimierung des Mechanismus damit weiter vorangetrieben werden.
  4. Weitere Baugrößen: Nach Abschluss aller analytischen Berechnungen sollten weitere Baugrößen der Eintrittsleitapparatur auf Grundlage der in dieser Dokumentation ausführlich behandelten Variante realisiert werden. Der einheitlichen geometrischen Skalierung aller Bauteile sollte dabei große Aufmerksamkeit gewidmet werden.

 

8. Quellen

[1] Porsch, Tony: Untersuchung und Bestimmung der Stutzenkraefte und -momente von Turboverdichtern. Praktikumsarbeit HTWK-Leipzig, Dezember 2010

[2] Hollburg, Uwe: Maschinendynamik. Oldenburg Verlag, 2007

[3] Vecchio, Sandra R.: Konstruktionsstandard KSVK 28.001 Stellantrieb. Werk Duisburg, 16.12.2008

[4] Vecchio, Sandra R.: Konstruktionsstandard KSVK 22.011 Eintrittsleitapparat. Werk Duisburg, 02.12.2008

 

9. Über den Autor

B.Eng. Tony Porsch

geboren am 14.09.1988 in Wurzen

Ausbildung

2012Maschinenbaustudium Master HTWK Leipzig
2008Maschinenbaustudium Bachelor HTWK Leipzig
2007-2008Wehrersatzdienst
1995-2007Schulausbildung, Allgemeine Hochschulreife (LK Mathe, LK Physik)

 

Studentische Tätigkeiten

2011-heuteWissenschaftliche Hilfskraft bei Prof. Dr-Ing. C. Klöhn im Bereich Technische Mechanik und Rechneranwendung (Erstellung CAE-Distance Learning 4.0)
2010-heuteWerksstudent Siemens Turbomachinery Equipment GmbH

 

Weitere Aktivitäten

2007-heuteAbteilungsleitung Volleyball SV Tresenwald Machern, Mitglied erweiterter Vereinsvorstand
2003-2009Projekt "Eine Dampfmaschine aus Schrottteilen" (Jugend forscht 2008)

 

10. Impressum

 

Autor 
 
Tony Porsch
Brandiser Straße 6
D 04824 Beucha
Tony.Porsch(at)gmx.de
Betreuer (HTWK) 
 
Prof. Dr.-Ing. Carsten Klöhn
Technische Mechanik / Rechneranwendung
FB Maschinen- und Energietechnik / HTWK Leipzig
Koburger Str. 62,
D 04416 Markkleeberg
kloehn(at)me.htwk-leipzig.de
Betreuer (STE-Leipzig) 
 
Dr. T. Laux
Leiter Engineering
Siemens Turbomachinery Equipment GmbH
Klingenstrasse 15,
D 04229 Leipzig

11. Originalarbeit

Originalarbeit unterliegt Sperrvermerk