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Como obter melhores condições de contorno para modelos de motor?

Motor digitalizado

O modelo de motor completo (WEM) pode ser usado na indústria de turbinas a gás para calcular com precisão o comportamento termomecânico transitório de um motor de turbina a gás sob uma ampla gama de cenários operacionais. Isto tem implicações claras para a vida útil dos diferentes componentes do motor, bem como para o desempenho e eficiência da própria turbina a gás. Mas como podemos ter confiança no que estamos calculando?


Como qualquer ferramenta de simulação, se os inputs forem ruins, não devemos esperar muito dos resultados. Então, como podemos garantir que nossas contribuições sejam da mais alta fidelidade?


Os fabricantes de equipamentos originais (Original Equipment Manufacturers – OEMs) de turbinas a gás geraram uma grande quantidade de conhecimento e compreensão de seus respectivos motores ao longo dos anos por meio de extensas simulações, tentativas e erros e campanhas de teste ou validação. O estado estacionário ou status de carga base/navegação de um motor é fundamental para compreender o desempenho do motor. No entanto, o desafio é como o motor chegou a esse estado: que tipo de carga de temperatura e gradientes os metais experimentaram para chegar a essa condição de estado estacionário. Para entender isso, os coeficientes de transferência de calor (HTCs), as temperaturas dos fluidos e os fluxos térmicos são informações críticas para construir e compreender a evolução do estado térmico da turbina a gás ao longo de um cenário operacional.


Capturando o status quo


A Figura a seguir é um exemplo de uma janela de entrada de condição de contorno térmica para a condição de contorno de fluxo específica da turbina.


Menu de entrada de fluxos térmicos

Exemplo de menu de entrada de condição de limite de fluxo térmico.


É aqui que as empresas podem capturar o conhecimento proprietário do seu motor: como a temperatura e a pressão do fluxo evoluem à medida que a turbina a gás aumenta, atinge a carga de base/velocidade de cruzeiro e altitude e subsequente desaceleração ou aterragem. Uma entrada crucial para o cálculo da temperatura do metal é o coeficiente de transferência de calor: o fator por trás da evolução da temperatura do metal através da qual esta condição limite é colocada. No exemplo simples acima é escolhido 200 W/m 2•C°. Na realidade, como os principais parâmetros físicos do fluido de convecção (pressão, vazão e temperatura) evoluem ao longo da operação do motor, é pertinente levar em conta as mudanças físicas envolvidas. Abaixo de uma certa velocidade de rotação, o fluxo não é transmitido através do motor, o que pode levar a um processo diferente de transferência de calor. Todo o processo de modelagem do motor pode explicar esse fenômeno nas condições de contorno de duas maneiras (veja a Figura abaixo):


  • Incorporação de instruções se/então em campos de entrada de condições de limite;

  • Links para os principais parâmetros do ciclo de missão/operacional que evoluem ao longo do tempo.


Condições de contorno da turbina a gás.

Exemplo do uso de declarações condicionais nas condições de contorno da turbina a gás.


Além das possibilidades acima, correlações típicas de transferência de calor, como a correlação de placa plana, a correlação de Nunner, a equação de Dittus-Boelter ou alguma derivada dela, podem ser incluídas como equações variáveis ​​de tempo ou de entrada na janela de entrada da correlação de transferência de calor. Deve-se observar que as empresas são capazes de escrever plug-ins específicos da empresa que contêm conhecimento e informações proprietárias que podem ser chamadas no Simcenter 3D. Esta função de plug-in definida pelo usuário é um recurso que permite aos usuários do Simcenter 3D utilizar suas correlações proprietárias na modelagem da física de sua simulação. Os usuários podem codificar as correlações em C++ usando funções de interface de programação de aplicativos (API) que dão acesso a quantidades calculadas pelo solucionador. Essas correlações podem ser usadas posteriormente no Simcenter 3D ao aplicar e definir as condições de contorno. O solucionador calculará as funções definidas pelo usuário usadas nas expressões, como correlações de transferência de calor, durante o tempo de resolução.


As turbinas a gás normalmente possuem furos de resfriamento para os componentes mais quentes da turbina ou para direcionar o fluxo do compressor para as cavidades internas de um rotor. A energia pode ser transferida para o fluido a partir de tais configurações. Windage pode ser definido como aquele componente de energia que é transmitido de um rotor para o fluido. O Simcenter 3D possui duas funções dedicadas que podem contabilizar essa energia extra:


  • Windage para superfícies inclinadas e verticais;

  • Windage para cilindros horizontais.


No entanto, o que acontece quando há uma nova configuração de motor de turbina a gás ou quando o OEM está no início da fase de projeto de um motor de turbina a gás onde apenas esboços ou cenários operacionais são conhecidos?


Engenharia de sistemas: precisão e velocidade


É aqui que uma ferramenta de engenharia de sistemas como Simcenter Amesim ou Simcenter Flomaster é frequentemente empregada por OEMs para definir a operação principal da turbina a gás antes que quaisquer dados de projeto auxiliado por computador (CAD) estejam disponíveis. Esses tipos de modelos construídos usando bibliotecas de componentes existentes no software são flexíveis e normalmente amadurecem com o design à medida que ele evolui.


No caso da turbina a gás, ser capaz de modelar e caracterizar os fluxos de ar secundários dentro e ao redor da turbina a gás é fundamental para compreender o desempenho e a eficiência de todo o motor. O fluxo de ar secundário é a porção do fluxo de ar retirada do caminho do gás quente em vários estágios do compressor e utilizada para resfriamento ou vedação nas partes mais quentes da seção da turbina. Este ar precisa ser utilizado de forma eficiente e otimizada para minimizar o impacto nas métricas de desempenho do motor. O Simcenter Flomaster possui uma biblioteca dedicada e um conjunto de solucionadores para tais simulações. Informações físicas importantes, como correlações de turbilhão relevantes para as cavidades dentro de uma turbina a gás, podem ser calculadas e posteriormente utilizadas como entradas nas condições de contorno em todo o modelo do motor (veja a Figura abaixo). Semelhante à prática do WEM de incorporar conhecimento e experiência internos, o Simcenter Flomaster oferece modelos para correlações de vórtice, permitindo que as empresas adaptem a solução para refletir suas melhores práticas e metodologias. O Simcenter Flomaster também contém recursos de script para que uma empresa possa incorporar suas próprias correlações ao modelo de nível de sistema.


Modelo de parte do sistema de fluxo de ar

Modelo de parte do sistema de fluxo de ar secundário de uma turbina a gás.


Esses tipos de modelos em nível de sistema podem fornecer informações antecipadas sobre a operação de um motor de turbina a gás, e os parâmetros calculados a partir do modelo podem ser utilizados para adaptar as correlações de transferência de calor do modelo inteiro do motor. Este tipo de acoplamento fraco também pode ser estendido onde a folga ou deformação calculada a partir do MAE pode ser realimentada no modelo de sistemas, permitindo ao engenheiro compreender este efeito na distribuição do fluxo em rede. Esta abordagem também é relevante para simular e compreender o desempenho das vedações de labirinto, normalmente empregadas em todo o motor para vedar o ar e o gás quente do metal.


Capturando fenômenos de fluxo 3D para o mundo 2D


Uma segunda fonte de entrada para todas as condições de contorno do modelo do motor é a dinâmica de fluidos computacional (CFD). Utilizar CFD na turbina a gás completa é proibitivamente caro, apesar dos recentes avanços em hardware e velocidade do solucionador. Contudo, ainda pode ser empregado para entender melhor as condições locais e agregar mais fidelidade a todo o modelo do motor. Existem algumas maneiras de usar CFD no MAE, mas primeiro, vamos ver o que o CFD pode elucidar para um engenheiro de modelo de motor completo que observa a turbina a gás.


Uma turbina a gás contém inúmeras áreas de convecção forçada, não apenas o caminho do gás quente. É nesses outros locais que mais informações podem ser derivadas de CFD para entender melhor o fluxo local e as condições de transferência de calor dentro de uma turbina a gás; locais como cavidades externas de extração, furos de resfriamento dentro de um rotor ou fluxos de purga utilizados para minimizar ou impedir a ingestão de gás quente. Estas condições também poderiam ser simuladas e compreendidas em momentos diferentes do fluxo em estado estacionário, onde os HTCs locais podem ter um efeito significativo na transferência de calor de e para o metal.


Simulação CFD de uma parte do motor
Simulação CFD de uma parte do motor

CFD é uma ferramenta valiosa para compreender as condições locais de transferência de calor dentro do motor de turbina a gás.


Um engenheiro de modelo de motor completo pode incorporar um HTC controlado por velocidade em seu modelo, nas condições de contorno térmico, ou através do cálculo direto do HTC a partir de uma simulação de transferência de calor conjugada em uma ferramenta como o Simcenter STAR-CCM+.


Uma segunda fonte de entrada de CFD que pode ser utilizada em todo o modelo do motor é adicionar domínios de fluido diretamente no WEM 2D. Desde o Simcenter 3D 2022, os domínios de fluido 3D podem ser incluídos na parte axissimétrica de todo o modelo do motor (veja a Figura abaixo).


Domínios de fluido 3D para simular a transferência de ar e calor

Domínios de fluido 3D dentro do modelo 2D axissimétrico do motor inteiro para simular a transferência de ar e calor dentro das cavidades entre as pás da turbina.


Esta área pode ser particularmente sensível a mudanças de temperatura que podem ocorrer devido à ingestão de gás quente e afetar adversamente a vida útil mecânica dos abetos.


Como vimos, há diversas maneiras de ajudá-lo a preencher as condições de contorno de todo o seu modelo de motor. Dependendo do estágio em que você se encontra no ciclo de desenvolvimento, diferentes níveis de fidelidade de entrada podem ser usados ​​para ajudá-lo a entender melhor o desempenho do seu motor e o impacto subsequente nas temperaturas e folgas do metal do seu motor.

 

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