21.06.12 EnDes AG 1

Frischluftventilator für Kohlekraftwerk: Torsionsanalyse auslegungsrelevanter

Umschaltvorgänge des Antriebes

Rotordynamikmit

ANSYS 13.0vs

MATLAB/Simulink

2

1 - Executive Summary 2 - Rotordynamik – Vorbemerkungen3 - Untersuchtes System4 - Rotordynamik mit ANSYS5 - Rotordynamik mit MATLAB6 - Ergebnisse und Auswertungen7 - Vergleich Ergebnisse

EnDes AG21.06.12

3EnDes AG21.06.12

Frischluftventilator

Für hohe Verfügbarkeit der Frischluft- und Abluftventilatoren ist entsprechende Engineering- und Auslegungssicherheit erforderlich

1 Executive Summary

Ausgangslage

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

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

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

7EnDes AG21.06.12

Biege- und Kreiselschwingungsformen

2 Rotordynamik – einige Vorbemerkungen

Grundarten von Schwingungen

8EnDes AG21.06.12

2 Rotordynamik – einige Vorbemerkungen

Grundarten von Schwingungen

Torsionsschwingungen

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

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)

11EnDes AG21.06.12

3 Untersuchtes System

Prinzipieller Gebläse-Aufbau

Druckseite

SaugseiteLüfterrad

Stufe 1Kupplung

ASM

12EnDes AG21.06.12

3 Untersuchtes System

LüfterradStufe 2

LüfterradStufe 1

Maschinendyamisches Grobmodell

KupplungZwischenwelle

ASM

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

14EnDes AG21.06.12

( ) UUOd

L MnMMn

nnnM )sgn()( 2 +−⋅

⋅=

3 Untersuchtes System

Lastmoment Gebläse

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

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.

17

Lastmomente über Tabellen

EnDes AG21.06.12

Aufgrund des Lastmoment-verlaufs des Antriebes isttransiente Berechnung erforderlich.

4 Rotordynamik mit ANSYS

Einbringen der Lastmomente

18EnDes AG21.06.12

4 Rotordynamik mit ANSYS

Durchgeführte Simulationen

19EnDes AG21.06.12

Hauptergebnisse• Zeitlicher Verlauf der Torsionsmomente• Eigenfrequenzen

4 Rotordynamik mit ANSYS

Simulationsergebnis ANSYS

20EnDes AG21.06.12

5 Rotordynamik mit MATLAB

Grundlagen für das MATLAB-Modell

21EnDes AG21.06.12

5 Rotordynamik mit MATLAB

MATLAB-Modell des Dreimassenschwingers

22EnDes AG21.06.12

5 Rotordynamik mit MATLAB

MATLAB-Modell des Anfahrmomentes1 2 3

Die Kennlinie des Anfahrmomentesist in drei Bereiche Unterteilt (schlupfabhängig)

23EnDes AG21.06.12

Hauptergebnisse• Zeitlicher Verlauf

Torsionsmomente• Eigenfrequenzen

5 Rotordynamik mit MATLAB

Simulationsergebnis MATLAB (selbst programmierte Plots)

24EnDes AG21.06.12

6 Ergebnisse und Auswertungen

Vergleich Torsionsmoment Anfahren, ungedämpft

25EnDes AG21.06.12

6 Ergebnisse und Auswertungen

Vergleich Torsionsmoment Anfahren, gedämpft

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

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

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

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

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 +++ +++

31EnDes AG21.06.12