Conjuntos de turbomáquinas e os desafios de projetá-los – O que há de novo
- Alvaro Filho
- 11 de nov.
- 5 min de leitura
As turbomáquinas são feitas de conjuntos de diferentes discos de lâminas
Uma exploração interessante da periodicidade da estrutura é considerar setores de simetria cíclica, em vez da estrutura tridimensional completa. Quando a aplicação industrial exige que a máquina seja composta por diferentes estágios, cada um com um número diferente de setores, é necessário cuidado especial ao conectar esses setores para garantir uma junção suave entre os dois estágios.
Quando a estrutura periódica se desvia de sua forma de simetria axial regular, como nas hélices com poucas pás, uma simulação em um quadro rotativo não pode mais ser evitada. As limitações nas partes não rotativas se aplicam a tais cálculos: de fato, as partes não rotativas (estator e mancais) devem ser isotrópicas, o que pode ser uma suposição pouco rigorosa para aplicações industriais.
Para esses casos, o solver Nastran do Simcenter 3D Rotor Dynamics propõe um método para evitar limitações do modelo com o uso da transformação de Coleman. De fato, com esse método, rotores com pás montados em um estator e mancais anisotrópicos podem ser computados! Embora sua completa modelagem seja um desafio, isto permite modelar as complexidades e explorar mais possibilidades ao simular e modelar estruturas rotativas.
Para aplicações industriais como turbocompressores, turbinas a vapor ou motores a jato, a montagem é composta por múltiplos estágios de discos com pás, e a suposição de que o rotor é axissimétrico nem sempre é verdadeira. Portanto, o Simcenter 3D 2506 Rotor Dynamics expandiu o uso da transformação de Coleman para montagens de múltiplos estágios de rotores com simetria cíclica.
Transformação de Coleman para múltiplos estágios de rotores de simetria cíclica
A transformação de Coleman é uma solução para produzir matrizes invariantes no tempo na estrutura fixa para rotores simétricos cíclicos, conforme descrito por Kirchgassner (2016). Em seguida, os diagramas de Campbell e análise de estabilidade são usados para o cálculo das velocidades críticas nas quais a ressonância ocorre. Este método é equivalente ao método de Floquet quando a estrutura é estritamente simétrica cíclica, conforme descrito por Skjoldan (2009).
Recursos avançados do Simcenter 3D para rotores com pás
O Simcenter 3D deu um passo adiante na simulação de aplicações avançadas de rotores de pás, permitindo que um conjunto seja computado atendendo à hipótese de cálculos de dinâmica do rotor baseados na axisimetria ou assimetria das diferentes partes do sistema. Ele permite pós-processamento fácil, incluindo a produção de diagramas de Campbell, e apresenta os modos como saída em um referencial fixo para fácil interpretação.
No canto superior direito, preparação do modelo de diferentes setores de simetria cíclica conectados na junção; no canto inferior direito: saída do diagrama de Campbell em referencial fixo; no canto esquerdo: modo complexo; 57 Hz a 600 rpm, giro para trás.
Análise modal complexa em 5 etapas
1ª Etapa
No Simcenter 3D, prepare um modelo associativo, onde as diferentes etapas podem ser vinculadas à geometria. Isso permitirá que quaisquer alterações na geometria sejam comunicadas ao modelo de elementos finitos e adaptadas de forma que apenas a simulação precise ser computada novamente para levar em conta as alterações. Esse método é chamado de conceito de modelo mestre.
2ª Etapa
Prepare o modelo de elementos finitos do setor de simetria cíclica de cada estágio, identificando o setor como uma porção da estrutura que pode ser repetida em torno do eixo do rotor. Ele pode conter uma única pá ou múltiplas pás.
3ª Etapa
Montar os diferentes estágios na junção
Identifique cada junção entre dois estágios conectados. O solver cuidará da continuidade dos resultados nessa junção, adicionando automaticamente os harmônicos de ordem superior.
4ª Etapa
Preparar a simulação
Configure uma análise modal complexa no referencial rotativo e ative a transformação de Coleman. As peças rotativas modeladas em simetria cíclica serão calculadas em coordenadas multipás para diferentes ondas cíclicas (índice harmônico). A transformação de Coleman calculará matrizes invariantes no tempo que permitirão a saída dos resultados em um referencial fixo. Os mancais e o estator podem ser anisotrópicos e são calculados no referencial fixo, permitindo a simulação de todo o conjunto.
5ª Etapa
Resultados do pós-processamento no Simcenter 3D
O diagrama de Campbell mostra a evolução das frequências próprias com a velocidade de rotação, destacando os efeitos giroscópicos para os modos relevantes. A vantagem da transformação de Coleman é a consideração simultânea de múltiplos índices harmônicos, o que geralmente não ocorre em simulações que utilizam simetria cíclica. Modos de 0-diâmetro ou 1-diâmetro são gerados no exemplo.
O que mais a simetria cíclica pode fazer?
Para todas essas aplicações que apresentam uma estrutura periódica, a simetria cíclica é uma alternativa interessante aos modelos 3D completos, pois permite o uso da redução do modelo e torna o tempo de simulação mais razoável.
Mas o que mais? Vamos rever o que o Simcenter 3D Rotor Dynamics pode fazer com modelos de simetria cíclica:
Considere modelos híbridos, ou seja, um modelo que consiste em seções unidimensionais, bidimensionais e/ou tridimensionais, agora é possível modelar um rotor composto por um setor de simetria cíclica, em um ou mais estágios, com conexão a uma porção bidimensional de Fourier do rotor, a um eixo unidimensional e a uma porção tridimensional da estrutura. Mancais, molas, amortecedores, etc., podem ser usados para conectar o rotor ao solo com propriedades de rigidez e amortecimento ou a uma carcaça.
Se quiser ir além na redução do modelo, você pode criar um superelemento dos setores de simetria cíclica, para um ou múltiplos estágios, usando os métodos de Síntese de Modo de Componente. Esse superelemento pode então ser usado em uma montagem com mancais, em soluções de dinâmica de rotores. O pós-processamento permite recuperar os resultados para os setores de simetria cíclica originais e para toda a estrutura recombinada.
Para rotores com pás que podem apresentar grandes deformações devido a cargas centrífugas ou outros tipos de solicitações, que podem ocorrer quando as pás são longas e finas, é possível calcular uma base modal da estrutura com uma pré-tensão não linear preliminar. A pré-tensão não linear da estrutura calcula o estado de equilíbrio devido a grandes deformações, e a base modal é calculada em torno desse estado de equilíbrio. Posteriormente, você pode usar essa base modal tangente em uma resposta de frequência modal para calcular as vibrações do sistema devido a cargas externas.
Para o diagrama de Campbell, estudo de estabilidade e cálculos de modos complexos, este blog mostra que o Simcenter 3D Rotor Dynamics agora pode ser usado para resolver rotores de múltiplos estágios modelados em simetria cíclica, com rolamentos anisotrópicos e resultados de saída em um referencial fixo.
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