diplomová práce

Návrh oběžného kola radiální turbíny se sníženým momentem setrvačnosti

Text práce 3.19 MB

Autor práce: Ing. Ondřej Votava

Ak. rok: 2020/2021

Vedoucí: doc. Ing. Vladimír Fuis, Ph.D.

Oponent: Ing. Petr Skalka, Ph.D.

Abstrakt:

Tato závěrečná práce se zabývá topologickou optimalizací oběžného kola radiální turbíny turbodmychadla. Zaměřuje se na snížení momentu setrvačnosti při nezměněných aerodynamických vlastnostech. Optimalizace je provedena na základě výsledků CFD, termální a strukturální analýzy původní varianty. Výpočtové modelování bylo realizováno metodou konečných prvků v softwaru ANSYS. V práci je navrženo několik modelů oběžného kola s topologickou úpravou vnitřní struktury. Na základě hodnot momentu setrvačnosti, napětí a přetvoření je vybrán nejvhodnější model.

Klíčová slova:

Radiální turbína, turbodmychadlo, optimalizace topologie, moment setrvačnosti, metoda konečných prvků, ANSYS

Termín obhajoby

2.10.2020

Výsledek obhajoby

obhájeno (práce byla úspěšně obhájena)

znakmkaAznamka

Klasifikace

A

Průběh obhajoby

Student ve vymezeném čase prezentoval svoji závěrečnou práci. Poté byly předneseny posudky a zodpovězeny dotazy oponenta. Následně byly pokládány další otázky vztahující se k diplomové práci: Jaká byla použita optimalizační technika? Byl kontrolován kritický úhel z pohledu výroby? Bylo posouzeno, zda se vyplatí vyrábět danou součást novou technologií? Co přináší 5% úspora momentu setrvačnosti? Jaký je rozdíl mezi pevnostními charakteristikami tištěného a konvenčního materiálu? O jaký materiál se jednalo? Dělal jste analýzu hustoty sítě? Jak jste definoval koncentrátor napětí pro aditivně vyráběnou součást? Co je to otáčkový činitel? Po zodpovězení všech dotazů bylo vystoupení hodnoceno jako výborné.

Jazyk práce

čeština

Fakulta

Ústav

Studijní program

Aplikované vědy v inženýrství (M2A-P)

Studijní obor

Inženýrská mechanika a biomechanika (M-IMB)

Složení komise

prof. Ing. Jindřich Petruška, CSc. (předseda)
doc. Ing. Stanislav Věchet, Ph.D. (místopředseda)
prof. RNDr. Michal Kotoul, DrSc. (člen)
prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Zdeněk Florian, CSc. (člen)
doc. Ing. Tomáš Návrat, Ph.D. (člen)

Diplomová práce se zabývá topologickou optimalizací radiální turbíny turbodmychadla, které vyvíjí společnost Garrett Motion Czech Republic s.r.o., takže výsledky práce budou přímo využity v praxi. Vlastní práce se skládala z řady činností přes modelování proudění výfukových plynů v softwaru CFX, následovala termální analýza a poté analýza strukturální. Z toho tedy vyplývá, že diplomant musel tuto problematiku dostudovat, protože překračuje obsah látky vyučované v rámci magisterského studia. Student pracoval samostatně a využíval konzultací hlavně ve firmě Garrett. Práce je napsána srozumitelně a na vysoké grafické úrovni, jenom citace by se neměly objevovat až na konci odstavce za tečkou, ale v textu a vektorům na obr. 2.3 a 2.4 chybí šipky. I přes uvedené drobné chybičky práci doporučuji k obhajobě a hodnotím stupněm „A“ výborně.
Kritérium hodnocení Známka
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací C
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Známka navržená vedoucím: A

Posudek oponenta
Ing. Petr Skalka, Ph.D.

Autor, Bc. Ondřej Votava, se v diplomové práci zabývá návrhem oběžného kola radiální turbíny se sníženým momentem setrvačnosti při nezměněných aerodynamických vlastnostech. V úvodní části práce (v rámci rešeršní studie) pojednává o principu činnosti turbodmychadel, o silových účincích výfukových plynů na oběžné kolo, o vlivu momentu setrvačnosti oběžného kola na činnost turbodmychadla v přechodových režimech, a rovněž o namáhání oběžného kola působením odstředivé síly, tlaku výfukových plynů a vysokých teplot. V další části práce vymezuje systém podstatných veličin vzhledem k formulovanému problému, navrhuje metodu řešení a vymezuje potřebný software s příslušnými nástroji. V rámci výpočtového modelování deformačně-napěťové odezvy oběžného kola radiální turbíny provádí řadu analýz. Nejprve v rámci CFD analýzy stanovuje pole statického tlaku a pole teplot na oběžném kole turbíny. V navazující analýze řeší teplotní pole uvnitř objemu oběžného kola a to na základě pole teplot, které zná na površích oběžného kola z CFD analýzy. Jako poslední v pořadí realizuje deformačně-napěťovou analýzu, do níž zahrnuje výstupy z předešlých analýz, a to statický tlak na površích oběžného kola, odstředivou sílu a teplotu v objemu oběžného kola. Pro vyhodnocení odezvy na oběžném kole používá, vzhledem k základnímu provedení oběžného kola, zavedenou veličinu PMS (Percent of maximum stress), dále ekvivalentní plastické přetvoření a radiální posunutí. Následně provádí topologickou optimalizaci základního provedení oběžného kola pro variantu kola s dutinou, variantu kola s mříží a variantu kola s žebrem. V závěru srovnává analyzované varianty provedení oběžného kola po topologické optimalizaci a vybírá optimální variantu z hlediska hodnoty maximálního ekvivalentního napětí, ekvivalentního plastického přetvoření a momentu setrvačnosti. V závěru autor pojednává o způsobu výroby oběžného kola pomocí aditivní technologie SLM.
Posuzovaná práce je zpracována přehledně a s minimem překlepů. Autor by si však měl ujasnit význam používaných pojmů a s tím spojené nevhodné formulace v textu práce. Velmi však oceňuji použití CFD a MKP při řešení této problematiky. Autor, Bc. Ondřej Votava, prokázal schopnost výpočtově modelovat a splnil všechny vymezené cíle této diplomové práce.

Práci doporučuji k obhajobě.
Kritérium hodnocení Známka
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A

Známka navržená oponentem: A