Study on composite impellers for hydrogen-based centrifugal compressors
Joas, Antti (2024)
Diplomityö
2024
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2024051429998
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2024051429998
Tiivistelmä
This thesis examines the possibility of using fibre reinforced polymer composites as the construction material for a centrifugal compressor impeller for hydrogen compression. Hydrogen has the potential to become an important solution for interim energy storage in future energy systems and research efforts to increase its efficiency are vital.
The work was conducted by performing a literature review on hydrogen compression, centrifugal compressor impellers, composite materials, composite manufacturing methods, and existing composite impellers. This was followed by a case study and finite element analysis of a designed carbon fibre composite impeller. The design was based on the aluminium impeller from the case study.
Finite element analysis was performed on the model for both carbon fibre polymer composite and aluminium alloy. The maximum operating speeds were determined for the carbon fibre composite model by using Hashin’s damage criteria and for aluminium alloy by utilizing von Mises yield criterion. The results demonstrate that the same impeller design allows for approximately 70% higher operating speed and 40% weight reduction for the carbon fibre composite impeller compared to an aluminium impeller.
This study used a simplified design to verify the concept and further research and development is required. This would for example include a full aerodynamic design and optimization of the impeller while considering the special requirements set by composite materials and available manufacturing methods. The results provide a good starting point for future development. Tämä diplomityö tutkii mahdollisuuksia käyttää muovikuitukomposiitteja keskipakokompressorin juoksupyörän valmistusmateriaalina vedyn kompressoinnissa. Vety tarjoaa mahdollisuuksia energian varastointiin osana tulevaisuuden energiajärjestelmiä.
Työ sisältää kirjallisuuskatsauksen vedyn kompressoinnista, keskipakokompressorien juoksupyöristä, komposiittimateriaaleista, kuitukomposiittien valmistusmenetelmistä, sekä aiemmissa tutkimuksissa esitetyistä komposiittijuoksupyöristä. Tämän lisäksi työhön kuului vetykompressorin case-tapaukseen perustuvan juoksupyörän mallintaminen ja tämän analysointi elementtimenetelmällä.
Suunniteltu juoksupyörä analysoitiin elementtimenetelmällä käyttäen sekä hiilikuitua että alumiinia juoksupyörän materiaaleina. Enimmäiskäyttönopeudet määriteltiin komposiittijuoksupyörälle Hashin vauriokriteerin avulla ja alumiiniversiolle materiaalin von Mises myötölujuuden avulla. Tulokset osoittivat, että hiilikuitujuoksupyörän enimmäisnopeus on noin 70% korkeampi sen painon ollessa samaan aikaan noin 40% pienempi alumiiniversioon verrattuna.
Tässä työssä käytetty juoksupyörä on yksinkertaistettu malli ja lisätutkimusta ja kehitystyötä tarvitaan tuotteen saamiseksi tasolle, jolla se voidaan valmistaa riittävällä tarkkuudella olemassa olevia valmistusmenetelmiä hyödyntäen. Jatkotutkimus voisi sisältää esimerkiksi juoksupyörän aerodynaamisen suunnittelun, missä otetaan huomioon materiaalin erityispiirteet sekä valmistusmenetelmien asettamat rajoitukset.
The work was conducted by performing a literature review on hydrogen compression, centrifugal compressor impellers, composite materials, composite manufacturing methods, and existing composite impellers. This was followed by a case study and finite element analysis of a designed carbon fibre composite impeller. The design was based on the aluminium impeller from the case study.
Finite element analysis was performed on the model for both carbon fibre polymer composite and aluminium alloy. The maximum operating speeds were determined for the carbon fibre composite model by using Hashin’s damage criteria and for aluminium alloy by utilizing von Mises yield criterion. The results demonstrate that the same impeller design allows for approximately 70% higher operating speed and 40% weight reduction for the carbon fibre composite impeller compared to an aluminium impeller.
This study used a simplified design to verify the concept and further research and development is required. This would for example include a full aerodynamic design and optimization of the impeller while considering the special requirements set by composite materials and available manufacturing methods. The results provide a good starting point for future development.
Työ sisältää kirjallisuuskatsauksen vedyn kompressoinnista, keskipakokompressorien juoksupyöristä, komposiittimateriaaleista, kuitukomposiittien valmistusmenetelmistä, sekä aiemmissa tutkimuksissa esitetyistä komposiittijuoksupyöristä. Tämän lisäksi työhön kuului vetykompressorin case-tapaukseen perustuvan juoksupyörän mallintaminen ja tämän analysointi elementtimenetelmällä.
Suunniteltu juoksupyörä analysoitiin elementtimenetelmällä käyttäen sekä hiilikuitua että alumiinia juoksupyörän materiaaleina. Enimmäiskäyttönopeudet määriteltiin komposiittijuoksupyörälle Hashin vauriokriteerin avulla ja alumiiniversiolle materiaalin von Mises myötölujuuden avulla. Tulokset osoittivat, että hiilikuitujuoksupyörän enimmäisnopeus on noin 70% korkeampi sen painon ollessa samaan aikaan noin 40% pienempi alumiiniversioon verrattuna.
Tässä työssä käytetty juoksupyörä on yksinkertaistettu malli ja lisätutkimusta ja kehitystyötä tarvitaan tuotteen saamiseksi tasolle, jolla se voidaan valmistaa riittävällä tarkkuudella olemassa olevia valmistusmenetelmiä hyödyntäen. Jatkotutkimus voisi sisältää esimerkiksi juoksupyörän aerodynaamisen suunnittelun, missä otetaan huomioon materiaalin erityispiirteet sekä valmistusmenetelmien asettamat rajoitukset.