Valtteri Viljanen
AHTOILMAKANAVAN SUUNNITTELU
Wärtsilä Finland Oy
Tekniikka
2021
TIIVISTELMÄ
Tekijä Valtteri Viljanen
Opinnäytetyön nimi Ahtoilmakanavan suunnittelu
Vuosi 2021
Kieli suomi
Sivumäärä 40
Ohjaaja Jani Leppämäki
Opinnäytetyön toimeksiantajana toimii Wärtsilä Finland Oy. Opinnäytetyön aiheena on ahtoilmakanavan konseptisuunnittelu ja sen simulointi. Suunnittelulla ja simuloinnilla pyritään saamaan ilmavirtauksesta tasainen ja pieni painehäviö.
Tällä saavutetaan parempi teho-hyötysuhde moottorille.
Työssä käytettiin apuna 3D NX -suunnitteluohjelmistoa ja simulointi tiimiltä saatua teoriapohjaa. Tärkeimpänä tehtävänä on opetella simulointiohjelman käyttöä ja jakaa tätä tietoa eteenpäin suunnittelijoille.
Työn lopputuloksena opittiin hyödyntämään ilmavirtaus simulointia NX- ohjelmistolla. Tulevaisuudessa suunnittelijat osaavat hyödyntää paremmin simulointiohjelmistoa itse, joka tarkoittaa suunnittelun nopeutumista. Tämä alentaa myös kustannuksia, kun ei tarvitse ostaa simulointia ulkopuolisilta.
Avainsanat Konseptisuunnitelu, Simulointi, 3D-Mallinnus, Kustannukset
Kone- ja tuotantotekniikan koulutusohjelma
ABSTRACT
Author Valtteri Viljanen
Title Design of Charge Air Duct
Year 2021
Language Finnish
Pages 40
Name of Supervisor Jani Leppämäki
The thesis was commissioned by Wärtsilä Finland Oy. The objective of the thesis was to design and simulate an air duct concept. The aim of the design and simula- tion was to obtain a uniform and small pressure drop from the air flow. This achieves better power efficiency for the engine.
The design part of the thesis was done with 3D modeling software and the theo- retical basis was obtained from the simulation team. The main task was to learn how to use the simulation program and pass this information on to the designers.
As a result of the work the utilization of the airflow simulation with NX software was learnt. In the future, designers will be able to make better use of the simula- tion software themselves, which means shorter design times. This also lowers costs by not having to purchase simulation from outsiders.
Keywords Concept design, Simulation, 3D Modelling, Cost
TIIVISTELMÄ ABSTRACT
1 JOHDANTO ... 6
1.1 Tausta ... 6
1.2 Tavoitteet ... 6
2 TOIMEKSIANTAJA ... 7
2.1 Wärtsilä yleisesti ... 7
2.2 Liiketoiminnat ... 7
3 TUOTESUUNNITTELU ... 9
3.1 Ahtoilmajärjestelmä yleisesti ... 10
4 SUUNNITTELUOHJELMISTO ... 11
4.1 NX CAD ... 11
4.2 NX CAE ... 11
4.3 NX CAM ... 11
5 3D-SUUNNITTELU ... 12
5.1 Suunniteltava ahtoilmakäyrä ... 12
5.2 Rajoitukset ... 13
5.3 Konsepti 1 ... 14
5.4 Konsepti 2 ... 15
5.5 Konsepti 3 ... 16
5.6 Valitun konseptin mallinnus ... 18
6 NX FLOW -SIMULOINTI ... 24
6.1 Simuloinnin raja-arvot ... 24
6.2 Reunaehtojen määritys ... 26
6.3 Simulointiobjektit ... 28
6.4 Laskenta ... 34
6.5 Tulosten tarkastelu ... 37
7 YHTEENVETO ... 38
LÄHTEET ... 40
KUVALUETTELO
Kuva 1. Yleinen ahtoilmajärjestelmä./4/. ... 10
Kuva 2. Ahtoilmakäyrän kontaktipinnat. ... 12
Kuva 3. Konsepti 1, sulkuventtiilillä. ... 14
Kuva 4. Konsepti 2, sulkuventtiilillä. ... 15
Kuva 5. Konsepti 3, sulkuventtiilillä. ... 16
Kuva 6. Konsepti 3 sivustapäin. ... 17
Kuva 7. Ahtoilmakäyrän laipat. ... 18
Kuva 8. Spline viivat. ... 19
Kuva 9. Swept työkalulla toteutettu muoto. ... 20
Kuva 10. Ulkomuodollisesti valmis konsepti. ... 21
Kuva 11. Mallipuu. ... 22
Kuva 12. Halkileikkaus. ... 23
Kuva 13. Raja-arvot. ... 24
Kuva 14. Ahtoilmakanva jäähdyttimellä. ... 25
Kuva 15. Arvot. ... 26
Kuva 16. Yksityiskohdat. ... 27
Kuva 17. Sisäänmenolaippa. ... 28
Kuva 18. Ulostulolaippa. ... 29
Kuva 19. Bypass liitäntä. ... 30
Kuva 20. Verkko. ... 31
Kuva 21. Flow blockage... 32
Kuva 22. Flow blockage vääristävä tulos. ... 33
Kuva 23. Laskennan virtaustulos. ... 34
Kuva 24. Tulosten tunnistus. ... 35
Kuva 25. Excel. ... 36
1 JOHDANTO
1.1 Tausta
Työssä käytetään 3D-mallinusohjelmia ja erilaisia virtausohjelmia. Näitä ohjelmia käytetään yleisesti osien suunnitteluun ja laskemaan niiden virtauksia.
Toimeksiannon tarkoituksena on hyödyntää 3D-mallinnusohjelmia ja erilaisia virtauksen laskenta ohjelmistoja.
1.2 Tavoitteet
Työn tavoitteena on suunnitella ahtoilmakanava, joka kuljettaa paineistettua ilmaa turboahtimelta jäähdyttimelle. Tavoitteena on mallintaa kanavan muoto mahdollisimman tasaisesti virtaavaksi, jotta kuuma ilmavirtaus saadaan jäähdytettyä tasaisesti. Tasaisella virtauksella saadaan enemmän jäähdytettyä ilmaa moottoriin, ja tämän avulla moottorin hyötysuhdetta paremmaksi.
Kanavalle täytyy myös suorittaa paine analyysi kanavan keston varmistamiseksi.
Ahtoilmakanava on moottorin uloin osa, joten tavoitteena on myös saada muoto sellaiseksi, että kanava ei kasvattaisi liikaa moottorin ulkomittaa.
Tarkoituksena on mallintaa kanava NX-ohjelmistolla, ja tehdä alustavia simulointeja NX flow -ohjelmalla. Kun alustavat simuloinnit on saatu valmiiksi, siirtyy malli simulointitiimille, joka suorittaa tarkemman ja viimeisen simuloinnin mallille. Alustavien simulointien tarkoituksena on myös tuoda lisäarvoa toimeksiantajalle, jotta jatkossa suunnittelijat voisivat käyttää enemmän alustavaa simulointia, ja tällä tavalla hakea oikeaa muotoa malleihin.
2 TOIMEKSIANTAJA
2.1 Wärtsilä yleisesti
Wärtsilä on kansainvälisesti menestyvä yritys, joka toimittaa älykkäitä ratkaisuja merenkulku ja energiamarkkinoille. Wärtsilä maksimoi alusten ja voimalaitosten ympäristötehokkuuden ja keskittyy kestäviin innovaatioihin. Vuonna 2020 liikevaihto oli 4.6 miljardia euroa ja henkilöstömäärä noin 18 000. Wärtsilällä on yli 200 toimipistettä yli 70 maassa eri puolilla maailmaa. Wärtsilä perustettiin vuonna 1834, yrityksellä on pitkä historia konepajateollisuudesta. Wärtsilän eri liiketoiminnat on jaettu seuraavasti, Marine power, Marine systems, Wärtsilä voyage, Wärtsilä energy ja Wärtsilä portfolio business. /1/
2.2 Liiketoiminnat
Wärtsilä marine power vie meriteollisuutta kohti kestävää tulevaisuutta ja hiilineutraalisuutta. Marine power tarjoaa erilaisia valikoimia moottoreita, propulsiojärjestelmiä, hybdriditeknikoita ja integroituja voimansiirtojärjestelmiä.
/2/
Wärtsilä marine systems myy korkealaatuisia ratkaisuja, tuotteita ja elinkaaripalveluita liittyen kaasun arvoketjuun, tiivisteisiin ja laakereihin, pakokaasujen käsittelylaitteistoihin, akseliston korjauspalveluihin, vedenalaisiin huoltopalveluihin ja merenkulun sähköisiin integraatioihin. /2/
Wärtsilä voyage tarjoaa viimeisintä digitaalista tegnologiaa parantaen turvallisuutta, tehokkuutta ja luotettavuutta sekä vähentäen päästöjä. Wärtsilä on sitoutunut luomaan älykkään merenkulun ekosysteemin, jossa jokainen asiakas saa mahdollisuuden digitaalisiin palveluihin. /2/
Wärtsilä energy vie muutosta kohti tulevaisuutta, jossa sähköä voidaan tuottaa sataprosenttisesti uusiutuvalla energialla. Energy toiminta tarjoaa joustavia voimalaitosratkaisuja ja energian hallinta- ja varastointijärjestelmiä ja tuemme
asiakkatiamme laitosten koko elinkaaren ajan palveluilla, jotka parantavat tehokkuutta ja varmistavat suorituskyvyn. Wärtsilän kaikkien voimalaitosten kokonaiskapasiteetti on 72 GW, ja näitä toimituksia on tehty 180 eri maahan. /2/
Wärtsilä portfolio sisältää viihdejärjestelmät, keskeytymättömän virransyötön järjestelmät, muuntajat, säiliönohjausjärjestelmät, veden- ja jätteenkäsittelyn, ventiiliratkaisut sekä turbiinihuollon ja vesivoimaratkaisun liiketoiminnan American Hydron. /2/
3 TUOTESUUNNITTELU
Tuotesuunnittelukäsite tarkoittaa projektia, jonka aikana valmistuu tuote tehtyjen suunnitelmien mukaan. Nykyään tuotesuunnitteluprojektissa on paljon eri henkilöitä ja organisaatioita, osa hoitaa mallinnuksen ja piirustukset ja valmistuksen hoitaa yleensä täysin eri organisaatio. Jos tuote on monimutkainen, voi projektissa olla myös erikseen mukana projektinjohtoryhmä, joka huolehtii aikatauluista ja muista vaadittavista teknisistä tiedoista. Piirustukset antavat valmistajille vaadittavat tiedot tuotteen valmistamiseen, käytettävät materiaalit, toleranssit, valmistusmenetelmät ja muut mahdolliset vaadittavat tekniset tiedot.
Nykyään työstökoneiden kehityttyä, hyödynnetään enemmän 3D-mallia, jolla saadaan suoraan laadittua työstökoneen työstöradat. /3/
Tuotesuunnittelu projekti sisältää myös tavoitteellista pohdintaa. Tavoitteellinen pohdinta pitää sisällään tavoitteiden asettamista, ongelmien analysointia ja ratkaisuvaihtoehtojen kehittelemisen sekä niiden laadukkuuden arvioinnin. /3/
Tuotesuunittelun aikana on otettava huomioon eri asioita. Tuotteen suunnittelijalle tuote on teknis-fysikaalinen syysteemi, jonka on toimittava tehokkaasti ja luotettavasti, kuin taas tuotteen käyttäjä näkee tuotteen vain käytettävänä kohteena. Tästä johtuen suunnittelijalle kertyy runsaasti kokemusperäistä tietoa erilaisista suunnitteluprosesseista ja erilaisten materiaalien käytöstä. Tämä menetelmä on arvokas, ja siksi kokenut suunnittelija on arvokas työntekijä yritykselle. /3/
3.1 Ahtoilmajärjestelmä yleisesti
Yleisesti ahtoilmajärjestelmän tehtävä on tuottaa enemmän voimaa moottorille.
Eli tämä tapahtuu ahdinten avulla, jotka tuottavat paineistettua ilmaa polttoaineseokseen. Ahtoilmajärjestelmän yleisimmät komponentit ovat, turboahdin, ahtoilmajäähdytin, ohitusventtiili ja putkistot. Turboahtimia isoimmissa moottoreissa voi olla monta, yleisesti 2-ahtimisia järjestelmiä, joissa toinen ahdin tuottaa voimaa pienellä kierrosalueella, ja toinen suuremmalla kierrosalueella. Ahtoilmajäähdyttimen tarkoituksena on viilentää painestettua ilmaa, jolloin polttoaineseos on herkemmin syttyvää ja toimii paremmin.
Ohitusventtiilillä ohjataan ylipaineistettu ilma pois järjestelmästä, eli se toimii niin sanotusti varoventtiilinä. Yleisestä järjestelmästä kuva alla, (Kuva 1.). /4/
Kuva 1. Yleinen ahtoilmajärjestelmä./4/.
4 SUUNNITTELUOHJELMISTO
NX on Siemens PLM Softwaren kehittämä suunnitteluohjelmisto suunitteluun, tuotekehitykseen ja mekaniikkasuunnittelun tarpeisiin. NX on modulaarinen ohelmisto, joka voidaan jakaa erilaisiin osiin. Pääpiirteittäin osat ovat seuraavasti:
CAD,CAM ja CAE, /5/. Tässä työssä käytettiin pääpiirteittäin NX CAD- ja CAE- osioita. Tuotteen 3D-mallintamiseen CAD-osiota ja simulointiin CAE-osiota.
4.1 NX CAD
CAD osaan kuuluvat toiminnot ovat: 3D-mallintaminen, kokoonpanot ja 2D- piirustukset. Osien mallintamiseen on olemassa montaa eri tekniikkaa, millä tuotetta lähdetään rakentamaan. NX cad tarjoaa työkalut teolliselle muotoilulle, putkistosuunnittelulle, sähkömekaaniselle suunnittelulle, ohutlevysuunittelulle ja tietämyspohjaiselle suunnittelulle./5/
4.2 NX CAE
NX CAE tarjoaa yksittäisten, sekä suurtenkin kokoonpanorakenteiden simuloinnin käyttäen elementtimenetelmää. Tätä ohjelmistoa kutsutaan NX Flow - ohjelmistoksi. CAE:hen kuuluu myös CFD, eli computational fluid dynamics. Se tarjoaa hienostuneita työkaluja simulointiin, nesteen mallintamiseen ja virtauksen simulointiin monimutkaisillekkin osille. Yleisimmät ratkaisut, joita NX flow - simuloinnilla voidaan suorittaa on: tasainen virtaus, liikkuva virtaus, turbulenttinen laminaarisesti ja sekoteitulla virtauksella ja sisäisellä tai ulkoisella virtauksella. /6/
4.3 NX CAM
NX CAM on computer-aided manufacturing -ohjelmisto ohjelmointiautomaatioon ja työstökoneiden simulointiin. Voidaan myös ohjelmoida robotteja ja 3D- tulostimia ja seurata näiden laatua yhdellä ohjelmistolla./5/
5 3D-SUUNNITTELU
5.1 Suunniteltava ahtoilmakäyrä
Suunniteltavana osana on W25-moottorin ahtoilmakäyrä, ja tämän osan virtaussimulointi. Samantapaisia käyriä on käytössä 2-vaiheahtauksessa, joten perusmuoto näissä käyrissä on suunnilleen sama. Laipat, ja niiden etäisyys toisistaan vaihtelee moottorityypistä riippuen. (Kuva 2.) näkyy ahtoilmajäähdytin, bypass-liitäntä ja ahdin johon ahtoilmakäyrä tulee. Ahtoilmakäyrän tarkoitus on yleisesti viedä ilmavirtaa ahtimelta jäähdyttimelle tasaisesti, ja mahdollisimman vähällä painehäviöllä. Mitä tasaisemmin ilmavirta jakautuu jäähdyttimelle, sitä paremmin ilma jäähtyy ja suorituskyky paranee. Kylmempi ilma ahtimelta moottoriin parantaa aina suorituskykyä.
Kuva 2. Ahtoilmakäyrän kontaktipinnat.
5.2 Rajoitukset
Suunnittelussa on otettava huomioon käyrän muoto, koska ahtoilmakäyrä on moottorin uloin osa, ja se ei saisi tulla liian ulos. Käyrään on myös mallinnettava mahdollisuus sulkuventtiilille, jos asiakas haluaa lisäoptiona sulkuventtiilin, jolla saa moottorin pakkosammutettua sulkemalla ilmakanava.
Mallintaminen aloitettiin luomalla muutama erilainen konsepti, jotta saadaan alustavaa simulointia varten muutama erilainen muoto, ja näiden tuloksista tiedetään mitä konseptia lähdetään jatkokehittämään.
5.3 Konsepti 1
Ensimmäisenä luotiin konsepti, (Kuva 3.), jonka tarkoituksena oli luoda kaksiosainen ahtoilmakäyrä, eli alempi jäähdyttimen, ja ylempi erillinen putki joka on värjättynä kuvassa. Tällä oltaisiin saatu alempaa käyränosaa hyödynnettyä myös muihin eri moottorivariaatioihin, joissa on erimallisia ahtimia. Näin oltaisiin voitu vain värjättyä putkea muokata eri variaatiohin, jolloin kustannukset olisivat olleet pienemmät. Mutta simulointitiimin mukaan, tämä tapa ei onnistu, koska käyrän muoto on liian jyrkkä, eikä virtausta saada toteuttettua tasaiseksi. Tätä konseptia ei sen enempää mietitty, vaan se hylättiin. Kaksi erillistä osaa siis ei toimi tässä tapauksessa, joten konsepti 1 hylättiin.
Kuva 3. Konsepti 1, sulkuventtiilillä.
5.4 Konsepti 2
Toista konseptia lähdettiin mallintamaan, kun konsepti 1 hylättiin. Tässä ahtoilmakäyrä mallinnettiin yhtenäiseksi, jotta virtaus voitaisiin saada järkeväksi.
Konseptista tuli muodoltaan parempi, mutta simulointitiimin arvion jälkeen, muotoa pitäisi muuttaa sisäpuolelta enemmän käyrämäiseksi, mustan viivan mukaiseksi ja ulkopuolelle mallintaa enemmän ”lommoa”, eli muokata ulkopuolta suunnilleen punaisen viivan mukaiseksi. Nyt virtaus painoittuu liian alas, eikä se nouse juuri yhtään ylöspäin, jolloin ilma ei jäähtyisi niin tehokkaasti kuin pitäisi.
(Kuva 4.), näkyy tämä käyrä, sulkuventtiilineen. Tästä johtuen, päätin hylätä tämän mallin ja mallintaa vielä yhden käyrän, näillä vinkeillä, jotka simulointitiimi antoi.
Kuva 4. Konsepti 2, sulkuventtiilillä.
5.5 Konsepti 3
Kolmatta konseptia oli helppo lähteä mallintamaan, kun tiesi minkälainen muoto pitäisi olla suurinpiirtein. Tähän yritin heti tehdä sisäkäyrää jyrkemmäksi, ja alapuolelle mahdollisimman suuren ”lommon” jotta virtaus olisi mahdollisimman tasainen jolloin pyörteilyltä vältyttäisiin. (Kuva 5.), näkyy konsepti 3, jossa on myös sulkuventtiili.
Kuva 5. Konsepti 3, sulkuventtiilillä.
Konsepti 3 simulointitiiminkin mielestä tarpeeksi hyvä lähtökohta, mistä voidaan aloittaa simuloinnin opiskelu NX flow -ohjelmistolla. Sain muotoon lisättyä käyryyttä, ja alapuolelle hiukan ”lommoa”. (Kuva 6.), on kuvattuna käyrä sivustapäin, josta nähdään nämä muodot.
Kuva 6. Konsepti 3 sivustapäin.
5.6 Valitun konseptin mallinnus
Konsepti 3:n mallinnus alkoi jäähdytintä vasten tulevalla laipan mallinnuksella, ja mittojen hakemisella jäähdyttimestä. Laippa oli samankokoinen kuin 2- vaiheahtauksessa, joten mitat oli helppo ottaa 2-vaiheahtauksen ahtoilmäkyrästä ja mallintaa senmukaan uusi laippa samoilla mitoilla. Laipan mallinnuksen jälkeen haettiin ahtoilmäkäyrän yläpäähän tulevan laipan kohta ja mitat, jotta voitiin mallintaa se oikealle paikalle. (Kuva 7.) on laippa jäähdytintä vasten, ja ylhäällä alustava laipan paikka.
Kuva 7. Ahtoilmakäyrän laipat.
Seuraavana mudostettiin Spline-toiminnolla alustavaa muotoa käyrälle, Spline- toiminnolla saa tehtyä erimuotosia viivoja, joita pitkin voidaan haluttu muoto toteuttaa. (Kuva 8.), nähdään spline-työkalulla tehtyjä muotoviivoja.
Kuva 8. Spline-viivat.
Spline-muotojen jälkeen voidaan muoto toteuttaa käyttämällä Swept-työkalua, joka muodostaa putkimaisen muodon. (Kuva 9.)
Kuva 9. Swept-työkalulla toteutettu muoto.
Seuraavaksi voidaankin jo mallintaa ylälaipat ja bypass-liitännän paikka, ja näin alustava konsepti on ulkomuodollisesti valmiina. Ylälaipoista alempi on sulkuventtiiliä varten, jos asiakas haluaa sen option, koneistetaan ylempi laippa ja sen lyhyt putkiosuus pois, jolloin käyrä sopii käytettäväksi sulkuventtiilin kanssa.
(Kuva 10.), on ulkomuodoltaan valmis konsepti.
Kuva 10. Ulkomuodollisesti valmis konsepti.
Seuraavassa vaiheessa täytyy mallista tehdä ontto, ja mallipuuhun muodostaa 2 eri mallipuu piirrettä, josta toiseen tulee käyrän sisämuoto ja toiseen ulkomuoto.
Tämä helpottaa ”sisäkeernan” miettimistä valuvaiheessa, ja muutenkin yksinkertaistaa mallia. Simulointivaiheessa täytyy käyrän olla myös kiinteässä muodossa, eli se ei saa olla ontto. Joten näiden mallipuun piirteiden vuoksi on helppo toteuttaa tämä simuloitava malli. (Kuva 11.) mallipuu.
Kuva 11. Mallipuu.
(Kuva 12.), halkileikkaus käyrästä, josta nähdään ontto muoto. Simulointimalliksi muuttaminen vaatii pelkän kiinteän sisämuodon, joten se oli helppo ottaa mallipuusta ja tallentaa erillisenä tiedostona.
Kuva 12. Halkileikkaus.
6 NX FLOW -SIMULOINTI
Simulointi aloitettiin kun 3D-mallinnus saatiin valmiiksi. Simulointia varten otettiin palaveria simulointitiimin kanssa, jossa käytiin lävitse asioita, joita pitää ottaa simuloinnissa huomioon. Palavereita jatkettiin simuloinnin yhteydessä, aina kun tarve oli.
6.1 Simuloinnin raja-arvot
Simulointiin vaaditaan raja-arvot, jotta voidaan lähteä rakentamaan simulointia.
Ilmavirtaus simuloinnissa tarvitaan tieto ilman paineesta, ilmamäärästä ja ilman lämpötilasta. Nämä arvot näkyvät alapuolella, (Kuva 13.).
Kuva 13. Raja-arvot.
Simulointia varten täytyi myös mallintaa ahtoilmakanavan jatkeeksi jäähdyttimen osuus, jotta saadaan tuloksia myös ilmavirtauksesta jäähdyttimessä. Samalla saadaan asetettua vastapaine jäähdyttimelle, jolloin saadaan tuloksesta tarkempi.
Alla (Kuva 14.) mallinnetusta jäähdyttimestä ja ahtoilmakanavasta.
Kuva 14. Ahtoilmakanva jäähdyttimellä.
6.2 Reunaehtojen määritys
Seuraavassa vaiheessa määritettiin arvot simulointiin, (Kuva 15.), näyttää taulukon, johon syötettiin arvot joita simuloinnissa käytettiin. Simuloinnin tyyppi on ilmavirtaus, ja solverina käytettiin thermal/flow-ratkaisijaa. Absoluuttinen paine ja ilmavirran lämpötila asetettiin taulukkoon.
Kuva 15. Arvot.
Ratkaisun yksityiskohdat välilehteen muutettiin ainoastaan kohtaa turbulence model, se vaihdettiin K-epsiloniksi, jolloin simuloinnin tuloksesta tulee mahdollisimman tarkka. (Kuva 16.), yksityiskohtien välilehti.
Kuva 16. Yksityiskohdat.
6.3 Simulointiobjektit
Seuraavaksi määritettiin objektit, eli mihin ilmavirtaus määritetään ja mistä ilmavirta tulee ulos. (Kuva 17.), sisäänmeno laippaan määritetään ilmamassan määrä kg/s. Näkyy kuvassa oranssina värjättynä laippana.
Kuva 17. Sisäänmenolaippa.
Ulosmenolaippaan määritettiin myös oma objekti, laippa asetettiin avoimeksi, jolloin ilmavirta kulkee tästä laipasta vapaasti ulos. Kyseessä siis iso oranssin värinen laippa, josta ilmavirta kulkee ulos. Mitään muuta ei tarvitse tälle laipalle asettaa. (Kuva 18.).
Kuva 18. Ulostulolaippa.
Bypass-liitännälle asetettiin myös ilmavirtaus arvo, tätä arvoa ei saatu aluksi simulointitiimiltä, vaan se kysyttiin jälkikäteen. Tämä arvo oli 1.46 kg/s, ilmavirtausta. Näkyy kuvassa oranssina värjättynä laippana. (Kuva 19.).
Kuva 19. Bypass-liitäntä.
Seuraavaksi asetettiin verkotus koko mallille, verkon kokoa muutettiin moneen kertaan eri simulointikerroilla, ja parhaaksi todettiin alkuvaiheessa n. 50 mm verkko. Näin simuloinnin ratkaisu ei kestänyt turhan kauaa ja tuloksesta tuli riittävän hyvä. Viimeisessä tarkemmassa simuloinnissa verkon kokoa pienennettiin, jotta tuloksesta saatiin tarkempi. (Kuva 20.).
Kuva 20. Verkko.
Yhdessä palaverissa simulointitiimin kanssa todettiin, että jäähdyttäjän osalle täytyisi saada asetettua hieman huokoisuutta. Eli lähinnä matkia normaalin jäähdyttimen kennorakennetta. Näin saataisiin virtaukselle hieman vastapainetta, jolloin tulokset olisivat realistisemmat. Se onnistuu flow blockage -toiminnolla, jolla voidaan asettaa jäähdyttimelle kennorakennetta muistuttavaa ilmiötä. Näkyy oranssiksi värjättynä kuvassa, (Kuva 21.)
Kuva 21. Flow blockage.
Flow blockage -toimintoa ei saatu jostain syystä toimimaan oikein, virtaus ei jatkunut jäähdyttimen loppuun asti oikein, vaan pysähtyi jäähdyttäjän ja kanavaputken liitoskohtaan. Tätä asiaa tullaan opinnäytetyön jälkeen tarkistelemaan ja tutkimaan, jotta se saadaan toimimaan. Kuvassa (Kuva 22.), tulos laskettuna flow blockagella, jossa nähdään virtauksen tasoittuvan, mutta tämä ei ole realistinen tulos. Reunaehdot ovat vielä tässä vaiheessa vääriä ja ilmavirtauksen suunnat ovat vääriä.
Kuva 22. Flow blockage vääristävä tulos.
6.4 Laskenta
Lopuksi voitiinkin lähteä simulointia laskemaan, ja näkemään miten ilmavirtaus käyttäytyy tämän kanavan sisällä. Ilmavirtauksesta täytyisi saada mahdollisimman tasainen, helposti tällaisessä kanavassa ilmavirta painoittuu alas, ja se myös pyörteilee. Mallia optimoimalla tätä pyörteilyä saadaan vähennettyä.(Kuva 23.).
Laskennan tulos.
Kuva 23. Laskennan virtaustulos.
Identify results -toiminnolla voidaan ottaa laippojen pinnasta erilaisia tuloksia, muunmoassa paineen tasaisuutta poistulolaipasta tai esimerkiksi virtauksen tasaisuutta. Eli valitaan erillisellä työkalulla, identify results, esimerkiksi ulostulolaippa, jolloin se laskee tähän laippaan tulevat ilmanvirtaukset. Yleensä suunnittelijan ei tarvitse kuin käyttää tätä toimintoa, jolloin he voivat vertailla erilaisia malleja keskenään. Nämä arvot voidaan ajaa Exceliin ja sielä näitä on helppo laskea ja vertailla. Yleensä lasketaan keskihajontaa, jolla saadaan tietoon, paljonko paine heittää ulostulolaipassa eri kohdissa, esimerkiksi alhaalla versus ylhäällä. (Kuva 24.), tulosten tunnistus.
Kuva 24. Tulosten tunnistus.
Excelissä arvot, (Kuva 25.), sinne otetaan identify results -toiminnolla jokaisesta laipasta keskiarvo paineesta. Näiden paineiden avulla voidaan laskea painehäviö.
Seuraavaksi voidaankin lähteä muuttamaan mallia erilaiseksi, ja laskea uudestaan painehäviö ja verrata sitä alkuperäiseen. Näin voidaan kehittää konseptia parempaan suuntaan.
Kuva 25. Excel.
6.5 Tulosten tarkastelu
Tuloksia ei lähdetty enempää tutkimaan, koska aika loppui projektissa kesken.
Tärkein tekijä työssä olikin saada kokemusta, miten tällaistä simulointia voidaan toteuttaa, koska ilmakäyrien simuloinneista on niin vähän kokemusta. Tämä antoi hyvän pohjan jatkolle, jossa voidaan viedä simulointia eteenpäin. Simuloinnin opettelua jatketaan, vaikka opinnäytetyö loppuikin.
7 YHTEENVETO
3D-mallinnus sujui hyvin, malli saatiin tehtyä aikataulun puitteissa ja siitä saatiin sellainen kuin haluttiin. Vaikka työssä käytettiin paljon uusia työkaluja, joita en ollut ennemmin käyttänyt, onnistui mallintaminen hyvin ja malli saatiin valmiiksi ajoissa. Mallintamiseen sain apua paljon toimeksiantajan puolelta, ja siksi mallinnus saatiinkin ajoissa valmiiksi ja päästiin aloittamaan simuloinnin harjoittelua.
Projektin aikana opittiin paljon uutta ilmavirtaus simuloinnista, ja tätä lähdetään hyödyntämään tulevaisuudessa. Projektia ei saatu vietyä maaliin asti, johtuen simuloinnista, jonka opettelu vei paljon aikaa. Simulointivaihe olikin tärkein vaihe ja päätavoite, opetella simulointia tekemään itse. Kyseisiä ahtoilmakanavia on tehty ennemminkin siten, että suunnittelijat ovat hoitaneet mallinnuksen ja simulointityö on ostettu ulkopuolisilta. Tämä vie paljon aikaa, kun erillinen tiimi tekee simuloinnin ja on suhteellisen kallista. Suunnittelutyö nopeutuu, jos suunnittelijat voivat itse myös simuloida mallinsa, ja saada virtauksesta mahdollisimman hyvän ja tasaisen.
Projekti jatkuu opinnäytetyön päätyttyäkin, simuloinnin tutkimista jatketaan jatkossakin, ja pyritään saamaan simulointi toteutettua myös itse. Kehitettävänä on myös NX-simulointien lisenssit, joita yrityksellä on vain yksi kappale käytettävissä. Tämä myös hidasti opinnäytetyö projektin kulkua, koska usein jollakin oli lisenssi käytössä ja täytyi odottaa, että se vapautuu. Kun simulointeja aletaan tehdä jatkossa enemmän, täytyisi lisenssejä olla enemmän käytettävissä.
Jatkokehitysideana on myös dokumentointi/ohjeen tekeminen, joita suunnittelijat voisivat jatkossa hyödyntää. Vaihe vaiheelta ohje simuloinnin eri vaiheista. Tämä ohje tullaan toteuttamaan todennäköisesti jo tämän vuoden puolella.
Projekti oli kiinnostava ja opetti paljon lisää ilmavirtaussimuloinnista ja projektin kulusta. Aluksi tiedostettiin, että simulointi vie aikaa, mutta hyvään lopputulokseen päästiin ja opittiin lisää virtaus simuloinnista. Aluksi tavoitteena olikin viedä malli maaliin asti, mutta alkuvaiheessa huomattiin simuloinnin kestävän kauan, joten tavoite muuttuikin alkuperäisestä. Tavoite olikin oppia NX simulointia ja kehittää sitä. Tämä olikin hyvä saavutus projektin aikana, koska se oli tärkein osuus toimeksiantajalle.
LÄHTEET
/1/ Wärtsilä Oyj Abp. Tämä on Wärtsilä. Viitattu 2.3.2021.
https://www.wartsila.com/fi/wartsila
/2/ Wärtsilä Oyj Abp. Wärtsilä liiketoiminnat lyhyesti. Viitattu 2.3.2021.
https://www.wartsila.com/fi/media-fi/liiketoiminnat-lyhyesti /3/ Hietikko, E 2008. Tuotekehitystoiminta. Viitattu 4.3.2021.
/4/ Turbodynamics. Turbocharger system. Viitattu 12.4.2021. https://www.tur- bodynamics.co.uk/technical/understanding-turbochargers/
/5/ NX. NX products. Viitattu 4.3.2021. https://www.plm.automation.sie- mens.com/global/en/products/nx/
/6/ NX. NX flow. Viitattu 19.3.2021.
https://www.plm.automation.siemens.com/en_us/Images/6639_tcm1023- 4403.pdf
