Sistema integrado de design de turbo

9ª Conferência Internacional sobre Hidrodinâmica 347

11-15 outubro, 2010 Shanghai, China

2010, 22 (5), suplemento: 358-365

DOI: 10.1016 / S1001-6058 (09) 60219-5

Um sistema de projeto integrado para turbomáquinas

Xu-wen Qiu, Mark Anderson, David Japikse

Conceitos NREC, 217 Billings Farm Road, White River Junction, VT 05001-9486, EUA E-mail: [e-mail]

RESUMO: Este artigo apresenta um design integrado sistema para turbomáquinas, particularmente máquinas, tais como turbinas a gás, turbinas hidráulicas, bombas e hélices comumente encontrados em operações marítimas. O sistema incorpora modelagem de fluxo, análise estrutural e simulação de fabricação sob um ambiente de design integrado, que permite o compartilhamento eficaz e transferência de informações entre as diferentes fases e disciplinas do design, otimizando assim o processo de design. O projeto começa com a modelagem meanline 1D, o que permite aos designers explorar um espaço de design grande e produz um caminho de fluxo de base ea previsão preliminar desempenho. A partir dos resultados meanline, um modelo inicial de geometria 3D pode ser construído. Este modelo de geometria serve como o núcleo do sistema de projeto em que uma maior optimização aerodinâmica e mecânica, tais como dinâmica de fluidos computacional 3D completos de análise (CFD) e análise de elementos finitos (FEA), pode ser realizado posteriormente. Além disso, um computador -aided componente de produção (CAM) também faz parte do sistema de design. A inclusão precoce de considerações de fabricação de 5 eixos no processo de design pode ajudar a reduzir os custos gerais, evitando a revisão caro do design aerodinâmico e estrutural no final do processo. Esta abordagem integrada garante que o projeto final não só atende a meta de desempenho, mas também satisfaz os requisitos de integridade estrutural e fabricação.

PALAVRAS-CHAVE: turbomáquinas; Projeto de Otimização; Computer Aided Engineering (CAE); Análise de Elementos Finitos (FEA); Computer Aided Manufacturing (CAM).

1 INTRODUÇÃO

Turbomachinery está envolvido em muitos aspectos de operações marítimas. Grande moderno ofício mar normalmente empregam turbinas convencionais a vapor, turbinas a gás, turbinas a vapor ou movidos a energia nuclear como uma fonte de energia, os quais utilizam máquinas rotativas para extrair energia do fluido aquecido. Mesmo para navios equipados com motores convencionais de combustão interna, os turbocompressores são agora comummente presentes no qual o gás de escape é usado por uma turbina para conduzir um

compressor que empurra o ar pressurizado para dentro do motor para aumentar a potência [1]. As hélices e propulsores também são dispositivos de turbomáquinas que conduzem o impulso da água acelerada através das pás da hélice girando. Além do sistema de propulsão, muitas bombas são empregados a bordo de um navio, servindo funções de refrigeração e de combate a incêndios do motor, para fornecimento de água potável e saneamento, ea maioria destas bombas são dispositivos de turbomáquinas que proporcionam um aumento cabeça para a água. Além disso, outros tipos de turbomáquinas, como compressores de refrigeração, ventiladores, sopradores e fornecer o ar condicionado e ventilação a bordo. Não é um exagero dizer que turbomáquinas é uma parte essencial de qualquer operação marinha.

O uso generalizado de turbomáquinas chama para a concepção de máquinas mais eficientes e mais confiáveis, o que se traduz diretamente em redução de custos e maior produtividade. Embora a história de turbomáquinas remonta aos tempos antigos com dispositivos, tais como moinhos de vento e turbinas de água, a sofisticada tecnologia de projeto de turbomáquinas não surgiu até o início do século XX, com o desenvolvimento da teoria avançada da aerodinâmica. Naquela época, o processo de design envolvido principalmente utilizando equações fundamentais de fluxo, relações empíricas, e conhecimentos de engenharia para chegar ao melhor projeto de papel e lápis. Com o advento do computador e um rápido aumento no poder computacional no final do século, engenharia auxiliada por computador (CAE) tornou-se a norma para a prática do design. Tecnologia CAE melhorou muito o poder de engenheiros, encurtando o ciclo de design, cortando o custo dos testes caros, e garantir a qualidade do produto final com a ajuda de simulação de computador.

 

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11-15 outubro, 2010 Shanghai, China

Este artigo apresenta um sistema de projeto de turbomáquinas que tem sido desenvolvido em Conceitos NREC (CN) ao longo dos últimos 20 anos. Este sistema permite que os engenheiros de design CAE para projetar uma máquina em um ambiente integrado, desde o projeto preliminar, a otimização do projeto 2D e 3D; de simulação de fluxo para análise de elementos finitos (FEA) para manufatura auxiliada por computador (CAM). O resultado final de um tal sistema é um processo de design melhor otimizado com melhor economia de custos e mais garantias de sucesso para o projeto final.

SISTEMA 2 UM PROJETO INTEGRADO

Os objetivos de qualquer projeto podem ser resumidas em três aspectos. Em primeiro lugar, ele deve atingir os requisitos de desempenho, como saída desejada potência, eficiência, ou ascensão da cabeça; segundo, o projeto deve atender aos requisitos estruturais, tais como limite de tensão ou a prevenção de determinadas freqüências de ressonância; e por último mas não menos importante, o projeto final deve ser fabricado com o menor custo possível para garantir a sua comercialização. Estes três requisitos, muitas vezes em conflito uns com os outros. Por exemplo, os projetistas aeronáuticos pode desejar uma lâmina fina ou um pequeno filete de reduzir o bloqueio aerodinâmica, mas os engenheiros estruturais podem exigir uma lâmina mais grossa para garantir o nível de estresse sobre a lâmina não exceda os limites de segurança. Em seguida, o engenheiro de produção pode não ser capaz de cortar um filé com muito pequeno de um raio. O projeto final deve ser um compromisso entre estes três requisitos.

são cumpridos os requisitos da certeza de desempenho. Quando eles estão satisfeitos,