Keskipakoispuhaltimen siipipyörän lujuusteknisen mitoituksen kehittäminen

Abstract

Tässä työssä on tutkittu prosessipuhaltimena käytettävän keskipakoispuhaltimen lujuusteknistä mitoitusta. Työn tavoitteena on ollut luoda analyyttisiä laskentakaavoja Koja Oy:n käyttöön tulevaisuuden tuotekehityksen tueksi. Tavoitteena on ollut tutkia myös siipien ja etu- ja takalevyn kiinnityshitsejä ja antaa työkaluja siipipyörän väsymismitoitukseen. Kirjallisuuskatkauksessa löytyi muutamia raportoituja tapauksia, jossa keskipakoispuhallin on vaurioitunut käytön aikana. Yhtenäisenä tekijänä kaikille tapauksille on ollut hitsausliitoksen väsyminen. Väsyttävän kuormituksen raportoiduissa tapauksissa on aiheuttanut siipipyörän värähtely. Väsyminen on alkanut siiven kiinnitysliitoksista hitsin rajaviivalta, siipipyörän ulkokehältä. Siipipyörän analysointiin on käytetty analyyttisiä laskentakaavoja ja elementtimenetelmää. Analyyttisten laskentakaavojen tuottaminen on muuten monimutkaiselle rakenteelle hyvin työlästä ja aikaa vievää. Staattisessa tarkastelussa elementtimenetelmällä siipipyörän mallintamiseen on käytetty keskipintamallia. Lisäksi laskentatiedostojen kokoa on pystytty rajaamaan syklisesti symmetrisen rakenteen ansiosta. Siipipyörän väsymistarkastelu on suoritettu tehollisen lovijännityksen menetelmällä, jossa tarkasteltavan hitsin rajaviivoille ja juureen on elementtimenetelmässä mallinnettu r=1 mm suuruinen lovi, josta jännityksen on luettu. Elementtimenetelmässä laskentaohjelmistona on käytetty Abaqus 6.14.1 -laskentaohjelmistoa. Analyyttisten laskentakaavojen kehityksessä on päästy hyvin lähelle elementtimenetelmästä saatuja vastaavia tuloksia. Analyyttisten kaavojen antamat tulokset eroavat kuitenkin sen verran virhettä, että varsinainen tarkka laskenta on syytä suorittaa ennen lopullisen konstruktion määrittämistä. Tehollisella lovijännitysmenetelmällä on saatu määritettyä rakenteen kriittisin kohta, jonka kestoikä on 36 400 sykliä. Tutkimuksen pohjalta Koja Oy on saanut hyvät edellytykset jatkaa tutkimusta lopun tuoteperheen parantamiseen.

In this study, centrifugal process fan impeller has been investigated in a structural design point of view. The goal was to produce analytical algorithms for Koja Oy for their need to help their own design process. One goal was also to study front and back plate welded connections to the wings. A few cases were found in the literature where centrifugal fan impeller had failed during the normal operation. A common factor in all cases was fatigue phenomena in the weldments. Fatigue stresses in the impeller were a result from the vibration of the impeller. Crack growth had begun from the weld toe in outer ring in every cases. Analytical equations and finite element method was used to study the impeller. Producing analytical algorithms was slow and time taking for otherwise complicated structure. In finite element method midsurface modelling was used to study the basic deformation and stress contours in the impeller. Also cyclic symmetry was used to reduce calculation time and file sizes. In fatigue assessment effective notch stress method was used to study the fatigue of the impeller. Impeller was modeled with the reference radius r=1 mm. Finite element models was studied with Abaqus 6.14.1 software. Analytical algorithms produced in this study gave almost the same stresses and deformations in the impeller as the finite element model. The difference between those models was how-ever so much that in the design process the use of finite element method is highly recommended. Weakest point in the impeller was detected with effective notch stress method with fatigue life of 36 400 cycles. This study has given Koja Oy a great amount of knowledge and guidelines to continue the study with their other products.