Analys av SCR injektor design

Abstract

Detta examensarbete behandlar analysen av en SCR-injektors design med målet att identifiera konstruktionsbrister och undersöka möjligheterna till en kostnadseffektiv egen design. Arbetet utfördes i samarbete med Wärtsilä och på grund av haveri vid drift uppstod ett behov av att studera injektorns strukturella hållfasthet.

För att analysera konstruktionen användes en reverse engineering-metod där en befintlig injektor mättes upp manuellt och modellerades i 3D med hjälp av Siemens NX. Utifrån modellen skapades tekniska ritningar som låg till grund för en kostnadsjämförelse mellan nuvarande leverantör och potentiell egen design. Som en del av analysen jämfördes även tre olika rostfria stålsorter, där AISI 316Ti valdes för dess egenskaper vid höga temperaturer och goda motståndskraft mot korrosion.

Konstruktionen analyserades vidare med hjälp av numerisk modal analys i Simsolid för att identifiera egenfrekvenser och bedöma risken för resonans. Resultatet visade att de längre injektormodellerna, särskilt DN1800, hade egenfrekvenser under 60 Hz, vilket medför risk för resonans vid drift. En enkel konstruktionsförändring med en stödbricka visade på förbättring, då egenfrekvensen ökade signifikant, dock utan att helt eliminera risken.

Sammanfattningsvis visar arbetet att det finns potential att både förbättra konstruktionens hållfasthet och minska kostnader genom egen design. Arbetet har även gett ökad förståelse för modal analys och strukturell design.

Tämä opinnäytetyö tutkii SCR-injektorin rakennetta tavoitteena tunnistaa rakenteellisia heikkouksia ja selvittää mahdollisuuksia kustannustehokkaan oman suunnittelun toteuttamiseen. Työ toteutettiin yhteistyössä Wärtsilän kanssa, ja injektorin rikkoutumisen takia syntyi tarve arvioida injektorin rakenteellista kestävyyttä.

Analyysissa käytettiin reverse engineering -menetelmää, jossa injektori mitattiin manuaalisesti ja mallinnettiin 3D-muodossa Siemens NX -ohjelmistolla. 3D-mallin pohjalta luotiin teknisiä piirustuksia, joiden avulla vertailtiin nykyisen toimittajan ja mahdollisen oman designin valmistuskustannuksia. Materiaalivertailussa tarkasteltiin kolmea ruostumatonta teräslajia, joista AISI 316Ti valittiin sen korkeaa lämpötilaa kestävien ominaisuuksien ja hyvän korroosionkestävyyden ansiosta.

Rakenteen arviointi tehtiin numeerisen modaalianalyysin avulla Simsolidohjelmistossa, ja tarkoituksena oli selvittää ominaistaajuuksia ja arvioida resonanssiriskiä. Tulokset osoittivat, että pidemmät injektorimallit, erityisesti DN1800, omaavat ominaistaajuuksia alle 60 Hz, mikä viittaa resonanssiriskiin käytön aikana. Yksinkertainen rakenteellinen muutos, jossa lisättiin tukilevy, paransi tilannetta merkittävästi nostamalla ominaistaajuutta, vaikka riskiä ei täysin poistettu.

Yhteenvetona voidaan todeta, että sekä rakenteellista kestävyyttä että kustannustehokkuutta voidaan parantaa omalla suunnittelulla. Projekti tarjosi myös arvokasta ymmärrystä modaalianalyysistä ja rakennesuunnittelusta.

This thesis analyses the design of an SCR injector with the aim of identifying structural weaknesses and exploring the feasibility of developing a cost-effective in-house design. The study was conducted in collaboration with Wärtsilä, following an operational failure that highlighted the need for a durability assessment of the existing injector.

A reverse engineering approach was used, where the injector was manually measured and modelled in 3D using Siemens NX. From the 3D model, technical drawings were produced and used to compare the costs of the current supplier’s product with the cost of manufacturing an in-house design. As part of the material selection, three stainless steel grades were considered. AISI 316Ti was chosen for its high temperature performance and strong resistance to corrosion.

To further assess the design, a numerical modal analysis was carried out on Simsolid to determine the natural frequencies and evaluate the risk of resonance. The analysis revealed that longer injector models, particularly the DN1800, exhibited natural frequencies below 60 Hz, indicating a risk of resonance during operation. A simple design modification involving a support washer led to a significant increase in natural frequency, although it did not fully eliminate the risk.

In summary, the findings suggest that both structural performance and cost efficiency can be improved through an in-house design. The project also provided valuable insights into modal analysis and structural design.