Dynamic and Structural Modeling of a V6 Stirling Heat Pump

Abstract

Oppgaven fokuserer på dynamiske og statiske simuleringer av en sekssylindret Stirling varmepumpe ved bruk av Fedem & Abaqus. Komponentene i analysene er designet av Enerin AS og er under utvikling mot en testklar varmepumpe høsten 2022. Komponentene inkluderer veivakselen, veivstaker, krysshoder, stempelstenger, stempler, kontravekter og en forenklet sylinderblokk.

Rapporten gir en detaljert beskrivelse av simuleringsoppsettet i både Fedem og Abaqus. Simuleringene er evaluert under ett og samme kapittel, for å gjøre det lettere for leseren å få et totalinntrykk av resultatene. Oppgaven presenterer blant annet spenninger, deformasjoner og egenfrekvenser som oppstår i varmepumpen under drift. Det er lagt vekt på de roterende og oscillerende delene i varmepumpen. En teknisk innføring i Stirlingsyklusens virkemåte, samt den aktuelle varmepumpen, er gitt i introduksjonen.

Hovedformålet ved rapporten er å gi Enerin AS en oversikt over spenningene og deformasjonene som oppstår i varmepumpen. Flere simuleringer har blitt kjørt ved ulike rotasjoner av veivakslingen for å estimere ved hvilke tidspunkt de største deformasjonene oppstår. Resultatene fra Fedem, Abaqus og håndberegninger har blitt sammenlignet for validering av modellene. I tillegg er kreftene som virker lags rådene og ned i veivakslingen regnet ut for fire forskjellige turtall.

Det har blitt utført en knekkingsanalyse av råde, stempelstang og stempel. I tillegg har overgangen mellom stempelstang og stempel blitt studert i detalj, grunnet erfaringer med høye spenninger fra tidligere varmepumper. Ulike festemetoder for stempelet er også presentert.

This thesis focus on dynamic and static simulation of a low-temperature V6-Stirling heat pump using Abaqus & Fedem simulation software. Components in the analysis are the crankshaft, connecting rod, crosshead, piston rod, piston, counterweight, and a simplified crankcase. The parts are under development by Enerin AS towards a test-ready design by the fall of 2022.

The report presents detailed descriptions of the simulation setup in both Fedem and Abaqus. Evaluations of the components' stresses, deformation, and eigenfrequencies are presented in the result chapter, making it easier to evaluate the results as a whole. A technical introduction is presented in the first chapter to show how a Stirling heat pump functions. The rotating and oscillating parts are the focus of this thesis.

The report's main objective is to give Enerin AS an overview of the stress and deformations in the heat pump. Twelve simulations have been submitted for different crankshaft positions to estimate which instances yield the most deformations. Fedem, Abaqus, and classical calculations are compared to validate the different simulations. The forces acting along the connecting rods for four different rotational speeds have been plotted.

Buckling analysis has been performed on the connecting rod, piston rod, and piston. In addition, the connection between the piston and piston rod is looked into in detail due to severe stresses in earlier designs. Different clamping methods of the piston are also presented.