Master's Thesis

Strength Analysis of Turbocharger Rotor of Stationary Internal Combustion Engine

Final Thesis 6.23 MB

Author of thesis: Ing. Dan Kejval

Acad. year: 2023/2024

Supervisor: prof. Ing. Pavel Novotný, Ph.D.

Reviewer: Ing. Petr Kudláček

Abstract:

Turbocharger rotors are highly stressed components exposed to significant thermo-mechanical loads. This thesis provides a literature review of this issue concerning turbocharger rotors and focuses on the thermal field analysis and structural analysis of the turbocharger rotor of a stationary internal combustion engine under different steady-state operating conditions, especially under maximum thermo-mechanical load. The analysis was conducted using Ansys Mechanical software, which allows for the calculation of the thermal field as well as the identification and evaluation of critical areas of the rotor using the finite element method. The result of the thesis is an assessment of the rotor's safety, including the risk of loosening the rings preloaded on the rotor shaft.

Keywords:

turbocharger, rotor, heat transfer, thermo-mechanical load, analysis, FEM

Date of defence

17.06.2024

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student seznámil zkušební komisi s průběhem a výsledky své závěrečné práce. Následně zodpověděl otázky oponenta. 1. Jaký vliv na výsledek mohl mít typ zvolené analýzy (Steady-State), zadané okrajové podmínky a zvolené zjednodušující předpoklady (náhrada šroubového spoje)? Jaké další kroky byste provedl pro zpřesnění Vámi provedené analýzy? Zodpovězeno. 2. V úvodní části práce jste zmínil motivaci pro tvorbu této analýzy, a tedy: výskyt harmonických frekvencí během provozu, jejichž možnou příčinou je uvolňování kroužků nasazených na hřídeli rotoru. Závěrem práce je výsledek, že k povolování sestavy rotoru docházet nemůže. Jakou další analýzu, studii byste zvolil, aby bylo možné identifikovat příčinu těchto harmonických frekvencí, naznačte další postup. Zodpovězeno. Dále odpovídal na otázky členů komise: 1. Jakým mechanismem může dojít k přenosu oleje do sání kompresoru? Zodpovězeno. 2. Jak lze zahrnout vliv nestacionárního charakteru teploty plynů při hodnocení pevnosti? Zodpovězeno. 3. Popiště hodnocení pevnosti v případě vysokocyklové únavy. Zodpovězeno.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Automotive and Material Handling Engineering (N-ADI-P)

Composition of Committee

prof. Ing. Pavel Novotný, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Pavel Kučera, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Jan Klimeš (člen)
Ing. Lukáš Šopík (člen)
Ing. Tomáš Heger (člen)
Ing. Marek Slovák (člen)

Supervisor’s report
prof. Ing. Pavel Novotný, Ph.D.

Student ve své práci analytického charakteru na 93 stranách (73 bez úvodní části a seznamu literatury) vhodně aplikoval 3D MKP simulace na problematiku přenosu tepla a hodnocení pevnosti rotoru turbodmychadla.

Student v průběhu tvorby práce pracoval velmi aktivně a průběžně konzultoval svůj postup. Zároveň iniciativně hledal dostupná řešení pro splnění cílů práce. Použité metody jsou na úrovní současně používaných metod v průmyslové praxi.

Rešerše byla zpracována v požadovaném rozsahu, poměrně kvalitně a využívá současné znalosti publikované ve světové literatuře. Analýza teplotního pole a pevnostní analýza byly provedeny vhodně, chybí zmínka o povaze napjatosti vzhledem k času (ustálený stav napjatosti proti časově proměnné napjatosti a případné únavě materiálu). Cíle práce jsou však jednoznačně splněny.

Po celkovém zhodnocení lze konstatovat, že diplomant splnil požadavky kladené na závěrečnou práci.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Petr Kudláček

Závěrečná práce pana Kejvala se zabývá problematikou pevnostní analýzy rotoru turbodmychadla. Cílem práce je provedení analýzy teplotního pole a pevnostní analýzy rotoru v ustáleném stavu, a to při maximálním tepelně-mechanickém zatížení. Práce obsahuje 93 stran včetně úvodní části a seznamu použitých zdrojů. Autor práci započal stručným popisem motivace pro vznik této práce, dále autor popisuje konstrukci turbodmychadla se zaměřením na rotor. V další části autor popisuje mechanismy přenosu tepla v turbodmychadle a současný stav v oblasti tepelně-mechanického zatížení rotoru turbodmychadla a hodnocení pomocí FEM. Poslední a stěžejní část práce se zabývá vlastní analýzou rotoru turbodmychadla v prostředí Ansys Mechanical.

Práce je po stylistické stránce na požadované úrovni, to lze konstatovat i o stránce gramatické, kde bych vytknul jen malé množství překlepů a chyb. Struktura a kapitoly práce jsou řazeny logicky. Po stránce odborného vyjadřování lze práci rovněž hodnotit kladně.
Grafická stránka práce je na dobré úrovni. Vytknul bych jen použití některých převzatých obrázků s nízkou grafickou kvalitou, mnohdy s nečitelným popisem, např. obr.19. Autorovu práci se zdroji lze popsat jako nadprůměrnou, a lze konstatovat, že prokázal znalost správného citování. Pan Kejval využil 87 informačních zdrojů. Samotná použitá literatura je aktuální a na vysoké úrovni, co se kvality a odbornosti týká, což se odráží na kvalitě celé práce. Autor prokázal schopnost interpretace získaných informací a znalostí v rámci vypracování závěrečné práce. Vytvořené analýzy a použité nástroje, včetně postupu práce lze považovat za správné a standardní. Závěrem lze říct, že autor vyčerpávajícím způsobem popsal danou problematiku, provedl požadovanou analýzu a splnil tak všechny potřebné náležitosti a cíle práce.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. V úvodní části práce jste zmínil motivaci pro tvorbu této analýzy, a tedy: výskyt harmonických frekvencí během provozu, jejichž možnou příčinou je uvolňování kroužků nasazených na hřídeli rotoru. Závěrem práce je výsledek, že k povolování sestavy rotoru docházet nemůže. Jakou další analýzu, studii byste zvolil, aby bylo možné identifikovat příčinu těchto harmonických frekvencí, naznačte další postup.
  2. Jaký vliv na výsledek mohl mít typ zvolené analýzy (Steady-State), zadané okrajové podmínky a zvolené zjednodušující předpoklady (náhrada šroubového spoje)? Jaké další kroky byste provedl pro zpřesnění Vámi provedené analýzy?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová