JOURNAL OF KONES 2005 NO 1

Journal of KONES Internal Combustion Engines 2005, vol. 12, 1-2
COMPUTER AIDED DESIGN OF TURBOCHARGER’S ROTOR
Grzegorz Budzik, Adam Marciniec
Politechnika Rzeszowska
Katedra Konstrukcji Maszyn
35-959 Rzeszów, ul. Wincentego Pola 2
tel.: (017) 865 16 42
e-mail: [email protected]
e-mail: [email protected]
Abstract
This paper presents method of create turbocharger’s rotor with computer aided design. Model of rotor has
been create with C++ and Mechanical Desktop program using. Program in C++ calculate dimensions of
turbochargers rotor basic on work parameter. Data file are in *.scr format. Format *.scr can be read by
Mechanical Desktop as an geometrical model. This method can shorter time to get CAD model of turbochargers
rotor. The connection of computational possibilities of the leaning programme on the language C++ and the
system of the computer aid Mechanical Desktop lets on the acceleration of works on rotors of turbocompressors. Introduce basic parameters of the work one receives geometries of the rotor. The geometry can be
exported to free-form of making possible the realization of calculations by means FEM.
KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE PROJEKTOWANIA
WIRNIKA TURBOSPRĉĩARKI
Streszczenie
Artykuá przedstawia metodĊ modelowania wirnika sprĊĪarki dla turbosprĊĪarki z wykorzystaniem C++ i
Mechanical Desktop. W oparciu o wybrane parametry pracy stworzony zostaá program obliczeniowy w jĊzyku
C++. Program ten umoĪliwia obliczenia wymiarów wirnika sprĊĪarki. Uzyskane dane zapisywane są w formacie
SCR. Format ten odczytywany jest przez program Mechanical Desktop jako model geometryczny wirnika. DziĊki tej
metodzie moĪliwe staáo siĊ znaczne skrócenie czasu otrzymania modelu CAD wirnika turbosprĊĪarki. Poáączenie
moĪliwoĞci obliczeniowych programu opartego na jĊzyku C++ oraz systemu wspomagania komputerowego
Mechanical Desktop pozwala na przyspieszenie prac projektowych nad wirnikami turbosprĊĪarek. Wprowadzając
podstawowe parametry pracy otrzymuje siĊ geometrie wirnika. GeometriĊ moĪna eksportowaü do dowolnego
formatu umoĪliwiającego wykonanie obliczeĔ wytrzymaáoĞciowych za pomocą MES.
1. WstĊp
Prace projektowe nad elementami silników spalinowych wymagają stosowania coraz to
nowszych narządzi zapewniających optymalizacjĊ konstrukcji oraz odpowiednio krótki czas
realizacji. Komputerowe wspomaganie projektowania pozwala na zaprojektowanie
odpowiedniego ksztaátu elementów silnikowych. Tworzenie modelu CAD wirnika
turbosprĊĪarki poprzedzone jest dáugotrwaáymi obliczeniami w celu uzyskania podstawowych
danych o geometrii áopatek wirnika oraz jego gáównych wymiarów zewnĊtrznych.
Zastosowanie programu komputerowego wykorzystującego jĊzyk C++ pozwala na znaczne
skrócenie czasu obliczeĔ i páynne przejĞcie od obliczeĔ do ksztaátu geometrycznego.
2. Program do obliczeĔ wirnika sprĊĪarki
Program wykonany w jĊzyku C++ ma na celu obliczenie wirnika sprĊĪarki turbosprĊĪarki
oraz wygenerowanie pliku o rozszerzeniu *.scr zawierającego dane dotyczące zamodelowania
wirnika [5]. Plik po otworzeniu go w programie Mechanical Desktop wywoáuje wykonanie
szeregu funkcji, które tworzą geometriĊ wirnika turbosprĊĪarki [1].
59
Po uruchomieniu programu pojawia siĊ okno dialogowe w którym wyróĪniamy czĊĞü do
wprowadzenia danych (tab. 1), czĊĞü przedstawiającą schemat wirnika, polecenie wykonania
obliczeĔ polecenie wykonania obliczeĔ i stworzenia pliku wyjĞciowego do programu
Mechanical Desktop, oraz polecenie otwarcie stworzonego pliku w programie MDT (rys. 1).
Rys. 1. Okno dialogowe programu obliczeniowego
Fig. 1. Window of calculating program
Tab. 1. Dane wprowadzane do programu
Tab. 1. Data input the programm
ps [bar]
Ts [˚k]
M [%]
Dane wejĞciowe
ciĞnienie na ssaniu
temperatura na ssaniu
wilgotnoĞü wzglĊdna
m3
]
Vs [
h
wydajnoĞü sprĊĪarki
pk [bar]
ciĞnienie wyjĞciowe
obr
n[
]
min
J
R[
]
kg K
U[
kg
]
m3
kg
m [
]
s
F
prĊdkoĞü obrotowa
Indywidualna staáa gazowa
gĊstoĞü powietrza wilgotnego
masowe natĊĪenie przepáywu
wykáadnik izentropy
60
Program ma charakter uniwersalny i nadaje siĊ do obliczeĔ wirnika sprĊĪarki typu
lotniczego lub do sprĊĪarki táokowego silnika spalinowego. Kąt wylotowy ȕ2 zakáadamy 90˚,
udziaá koáa wirnikowego R=0.5 a wskaĨnik pracy przekazywanej czynnikowi Ȍt=2 [2,6,7,8].
CaáoĞü programu wykracza poza ramy artykuáu i stanowi odrĊbne zagadnienie. Generalnie
obliczenia podzielone są na dwa etapy. Pierwsza czĊĞü są to podstawowe obliczenia stopnia
sprĊĪarki, które w wyniku dają nam gáówne wymiary wirnika. Druga czĊĞü obliczeĔ sáuĪy do
wyznaczeni powierzchni áopatki wirnika [9,10]:
x
f ( x1 , x3 ) cos x2
y
f ( x1 , x3 ) sin x 2 z
x3 (1)
Znając gáówne wymiary wirnika dziĊki równaniom
f
f ( x1 , x3 )
fd
fb
x1 f b (1 x1 ) f d d1 d 2 x3 nd b1 b2 x3 nb gdzie wspóáczynniki nb=0,5 i nd=0,1 wyznaczamy krzywe prądu (rys. 2).
Rys. 2. Krzywe prądu
Fig. 2. Curves of the stream
61
(2)
PromieĔ wygiĊcia áopatki bĊdzie równy
R
r22 r1 ( x1 ) 2
2 r2 ˜ cos E 2 r1 ( x1 ) ˜ cos E1
(3)
Rys. 3. PromieĔ wygiĊcia áopatki
Fig. 3. Radius of the blade
wykorzystując wzory (1), (2), (3), obliczamy wspóárzĊdną kątową x2
x2
§§ 3 *
* 2
6 2
4 *2 2
4 4
2 6 ··
¨ ¨ f R fR r2 f r2 4 f R r2 2 f r2 f r2 ¸ ¸
¹¸.
arccos¨ ©
2
2
2
*
2
¸
¨
2 f R f r2
¸
¨
¹
©
(4)
W taki sposób wyznaczając f i x2 otrzymujemy równanie powierzchni áopatki.
NastĊpne zadanie programu, to stworzenie formuáy modelowania, dziĊki równaniu (1)
tworzone są krzywe przekrojowe, które po naáoĪeniu na nie powierzchni i nadaniu jej
gruboĞci dają nam áopatkĊ wirnika.
3. Wykorzystanie Mechanical Desktop do modelowania wirnika
Program Mechanical Desktop jest programem sáuĪącym do modelowania 3D elementów
maszyn. W programie tym moĪliwe jest tworzenie modeli geometrycznych, parametrycznych
i powierzchniowych. Pojedyncze elementy mogą byü skáadane w zespoáy. Na podstawie
modeli 3D wykonywana jest dokumentacja rysunkowa [1,4].
Modelowanie wirnika turbosprĊĪarki wymaga znajomoĞci jego geometrii. W przypadku
wirnika skáadającego siĊ z szeregu identycznych áopatek wystarczy znajomoĞü geometrii
jednej áopatki, która jest kopiowana za pomocą szyku koáowego. àopatka zamodelowana jest
powierzchniowo. Parametry powierzchni generowane są przez program obliczeniowy.
Program napisany w C++ tworzy dane wejĞciowe do programu Mechanical Desktop.
62
Aby uzyskaü geometriĊ wirnika naleĪy uruchomiü program obliczeniowy i wprowadziü
dane w okna dialogowe. Obliczanie zaczynają siĊ po naciĞniĊciu przycisku „wykonaj
obliczenia”, wykonywane są wtedy obliczenia wstĊpne, w ich wyniku otrzymujemy gáówne
wymiary zarysu wirnika przedstawione w oknie dialogowym, po wpisaniu nazwy pliku i
naciĞniĊciu przycisku generowany jest plik z rozszerzeniem *.scr gotowy do otworzenia w
programie Mechanical Desktop. Naciskając ikonĊ „otwórz w Mechanical Desktop”
przechodzimy do programu Mechanical Desktop. Poprzez wpisanie w linii poleceĔ komendy
POKAZ i otworzeniu pliku uruchamiamy caáą procedurĊ tworzenia wirnika turbosprĊĪarki
(rys. 4).
Rys. 4. Model CAD wirnika wykonany w Mechanical Desktop
Fig. 4. CAD Model create in Mechanical Desktop
4. Wnioski
Prace projektowe nad nowymi rozwiązaniami wykonywane są obecnie przy uĪyciu
nowoczesnych i rozbudowanych systemów komputerowego wspomagania projektowania.
Rozbudowane systemy obliczeniowe są bardzo kosztowne i dlatego mogą sobie na nie
pozwoliü jedynie duĪe firmy specjalizujące siĊ w danej dziedzinie.
Rozbudowane systemy wspomagania obliczeĔ czĊsto mają charakter uniwersalny i
pomijają specyfikĊ danego problemu. NiemoĪliwa jest równieĪ ingerencja w jądro programu.
Celowym staje siĊ tworzenie aplikacji specjalistycznych wspóápracujących zarówno z
systemami rozbudowanymi typu CATIA lub Unigraphics jak równieĪ z systemami mniej
rozbudowanymi typu Mechanical Desktop ale dającymi moĪliwoĞci uzyskania podobnych
rozwiązaĔ.
63
Wykonywanie tego typu aplikacji stanowi uzupeánienie programów dostĊpnych na rynku,
daje równieĪ moĪliwoĞü weryfikacji obliczeĔ otrzymanych przy pomocy tych programów.
Aplikacje tego typu mogą byü udoskonalane i zmieniane w sposób ciągáy w zaleĪnoĞci od
potrzeb jednostki dla której są tworzone.
Poáączenie ze sobą moĪliwoĞci obliczeniowych programu opartego na jĊzyku C++ oraz
systemu wspomagania komputerowego Mechanical Desktop pozwala na znaczne
przyspieszenie prac projektowych nad wirnikami turbosprĊĪarek. Wprowadzając do programu
podstawowe parametry pracy otrzymujemy geometrie wirnika. GeometriĊ moĪemy
eksportowaü
do
dowolnego
formatu
umoĪliwiającego
wykonanie
obliczeĔ
wytrzymaáoĞciowych za pomocą MES [3]. Model CAD pozwala równieĪ na stworzenie
prototypu przy uĪyciu technik Rapid Prototyping i poddaniu go badaniom modelowym.
5. Literatura
[1] Autodesk Mechanical Deskop User’s Guide, Autodesk Inc. 2001.
[2] Bathie W.W. Fundamentals of Gas Turbines. John Wiley & Sons, New York 1984.
[3] Budzik G., Sobolak M. Analiza wytrzymaáoĞciowa wirnika turbosprĊĪarki z
wykorzystaniem systemu CATIA, XV miĊdzynarodowa konferencja SAKON 2004,
Rzeszów 29 IX ÷ 2 X 2004, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów
2004.
[4] Franco P., Preparata M., Shamos I. Geometria obliczeniowa. Wprowadzenie, Helion,
Gliwice 2003.
[5] GrĊbosz J Symfonia C++. Programowanie w jĊzyku C++ orientowane obiektowo
Oficyna Kalimach, Kraków 1999.
[6] KordziĔski Cz., ĝrodulski T. Silniki spalinowe z turbodoáadowaniem, WNT Warszawa
1970.
[7] Kowalewicz A. Doáadowanie silników spalinowych. Politechnika Radomska, Radom
1998.
[8] OczoĞ K. Przepáywowe maszyny wirnikowe. Zbiór prac VIII miĊdzynarodowej
konferencji. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 1998.
[9] Tuliszka E. SprĊĪarki, dmuchawy i wentylatory, WNT Warszawa 1976.
[10] Witkowski A. SprĊĪarki wirnikowe. Wydawnictwo Politechniki ĝląskiej, Gliwice 1980.
64