Novedades de Simcenter 3D Rotor Dynamics 2606

Las turbomáquinas modernas, desde los motores de reacción hasta los compresores industriales, funcionan a altas velocidades y bajo cargas elevadas, condiciones en las que incluso pequeños errores de predicción pueden provocar vibraciones, inestabilidades o fallos. El análisis de la dinámica de rotores permite a los ingenieros evaluar el comportamiento de los ejes y de los conjuntos rotativos a lo largo de todo el rango de funcionamiento, identificar las velocidades críticas y detectar los modos de vibración que podrían desencadenar fenómenos de resonancia, comprometiendo el rendimiento, la seguridad y la vida útil del sistema.

Simcenter 3D Rotor Dynamics, incluido Simcenter Nastran SOL 414, permite a los ingenieros analizar las vibraciones en máquinas rotativas, predecir los fenómenos de resonancia a las velocidades críticas, evaluar las cargas en los rodamientos y verificar la capacidad del sistema para soportar condiciones de funcionamiento reales.

El cálculo de las velocidades críticas de un conjunto rotativo es un aspecto fundamental en el diseño de una turbomáquina. Además, el rango de velocidades de funcionamiento debe mantenerse suficientemente alejado de las velocidades críticas del sistema para evitar la aparición de fenómenos de resonancia, que pueden generar elevados niveles de vibración. Más adelante veremos qué se entiende por “suficientemente alejado” y cómo visualizar el rango de velocidades operativas dentro del cual la turbomáquina puede funcionar de forma segura.

Con la versión 2606, los modos de vibración correspondientes a las velocidades críticas de cada rotor ahora se pueden exportar como resultados de un análisis modal complejo Nastran SOL 414, junto con el diagrama de Campbell y el diagrama de estabilidad.

En el ejemplo mostrado, el análisis modal complejo calcula el diagrama de Campbell con los modos asociados a las velocidades críticas del rotor 1 (círculos amarillos) y del rotor 2 (círculos morados), cuando la relación entre las velocidades de rotación de ambos rotores es igual a 2,0.

Esta funcionalidad representa una mejora significativa con respecto al análisis directo tradicional de velocidades críticas, que es un análisis sin amortiguamiento y asume propiedades constantes de los rodamientos. Con esta nueva funcionalidad es posible obtener los modos de vibración a las velocidades críticas de cada rotor, superando estas limitaciones. De hecho, en la simulación es posible definir diferentes tipos de amortiguamiento para evaluar la estabilidad del sistema rotativo, incluyendo el amortiguamiento viscoso, modal o histerético en las conexiones. Además, los coeficientes de los rodamientos se pueden definir como función de la velocidad de rotación, obteniendo una representación mucho más cercana a las condiciones reales de funcionamiento.

Los modos a las velocidades críticas se calculan para la primera armónica (orden 1), tanto en el caso de un único rotor como en sistemas multirrotor, con el análisis realizado en un sistema de referencia inercial. Los rotores pueden modelarse mediante todas las principales técnicas disponibles: elementos unidimensionales de viga (1D beam), modelos bidimensionales de Fourier multiarmónicos (2D Fourier multi-harmonic), modelos tridimensionales sólidos axisimétricos (3D solid axisymmetric), modelos tridimensionales con simetría cíclica que incluyen la transformación de Coleman, así como mediante superelementos.

Entre los resultados disponibles a las velocidades críticas se incluyen las formas modales, las tensiones, las energías y la distribución de la energía (energía de deformación, energía cinética y energía disipada) dentro de grupos de elementos.

Dado que solo se almacenan los modos correspondientes a las velocidades críticas, en lugar de los calculados en cada incremento de la velocidad de rotación durante toda la simulación, el tamaño del archivo de resultados puede reducirse hasta un factor de 10, con un importante ahorro de espacio de almacenamiento y de recursos, especialmente cuando los resultados se gestionan dentro de un sistema de gestión de datos.

Al analizar la distribución de la energía de un conjunto a una determinada velocidad de rotación, por ejemplo a la velocidad crítica, es posible identificar, para cada modo de vibración, qué componentes están sometidos a mayores esfuerzos en caso de que dicho modo entre en resonancia. La distribución de la energía para un grupo de elementos se expresa como un porcentaje de la energía total e incluye la energía de deformación, la energía cinética y, como novedad de la versión 2606, también la energía disipada asociada a los efectos de amortiguamiento.

En el ejemplo mostrado, relativo a dos rotores conectados, el rotor de baja presión y el rotor de alta presión, es posible analizar por separado las secciones del compresor y de la turbina. En particular, la distribución de la energía puede evaluarse en cuatro grupos distintos:

• compresor del rotor de baja presión
• turbina del rotor de baja presión
• compresor del rotor de alta presión
• turbina del rotor de alta presión

Para la primera velocidad crítica de orden 1 (40 Hz), se observa que la mayor parte de la energía está concentrada en el compresor del rotor de baja presión. Esto indica que esta es la zona más susceptible a deformaciones en caso de que dicho modo sea excitado. Este tipo de información es extremadamente importante para identificar los modos de vibración más críticos y localizar las áreas de la estructura donde pueden producirse los fenómenos más peligrosos.

Los superelementos se utilizan ampliamente en los análisis de dinámica de rotores, ya que estas aplicaciones suelen involucrar estructuras sometidas a pequeñas deformaciones. Aunque las simulaciones de dinámica de rotores también pueden gestionar no linealidades geométricas, el comportamiento estructural normalmente se resuelve dentro del marco del análisis lineal. En este contexto, el uso de superelementos de Craig-Bampton representa una solución extremadamente eficaz para reducir drásticamente los tiempos de cálculo de la simulación.

En las versiones anteriores ya estaba disponible, en Simcenter Nastran SOL 414, la posibilidad de utilizar superelementos para los rotores y extraer diagramas XY en los nodos internos de los superelementos. Esta funcionalidad eliminaba la necesidad de definir retained nodes exclusivamente para monitorizar los resultados.

En lo que respecta a la distribución de la energía, sin embargo, cuando un conjunto utilizaba superelementos no era posible acceder a los elementos internos del superelemento para calcular la distribución energética. Como consecuencia, el superelemento se consideraba como una única entidad y la distribución de la energía solo estaba disponible a nivel global.

A partir de Simcenter 3D 2606, si durante la creación de un superelemento Simcenter Nastran SOL 414 (tanto para un rotor como para un estator) se definen grupos de elementos destinados al análisis de la distribución de la energía, dichos grupos pueden reutilizarse posteriormente para calcular y generar las tablas correspondientes a la energía de deformación, la energía cinética y la energía disipada, incluso cuando la simulación se ejecuta utilizando la estructura condensada en superelementos.

Esta nueva funcionalidad hace que el flujo de trabajo sea significativamente más eficiente para los ingenieros que aprovechan las ventajas de los superelementos. De hecho, ya no es necesario reconstruir los resultados sobre la estructura original (results recovery). Las tablas de energía se generan directamente durante la simulación en el contexto de análisis de valores propios, análisis modales complejos o análisis de respuesta armónica.

En el siguiente ejemplo, a diferencia del anterior, la simulación utiliza superelementos. Aunque, después de la condensación de la estructura, los grupos de elementos ya no están disponibles directamente, el usuario puede solicitar a la simulación que utilice los definidos durante la creación del superelemento para calcular y mostrar la distribución de la energía.

Simcenter 3D Rotor Dynamics genera los resultados en un formato altamente eficiente basado en la arquitectura HDF5, utilizando el archivo .scd5, que puede cargarse en Simcenter 3D de forma rápida y sencilla.

Este formato ofrece numerosas ventajas. En particular, para cada simulación se genera un único archivo .scd5, que contiene todos los resultados del análisis:

• resultados espaciales relativos a los diferentes subcasos;
• resultados en los nodos y elementos seleccionados o en toda la estructura;
• todos los diagramas XY generados durante la simulación.

Para los ingenieros que trabajan en el sector de las turbinas de gas y deben cumplir con los requisitos de la norma API 616, también es posible solicitar diagramas XY adicionales que permiten visualizar el rango de velocidades de funcionamiento suficientemente alejado de las velocidades críticas. El concepto de “suficientemente alejado” se determina mediante las fórmulas analíticas establecidas por la norma API 616, que definen los márgenes de separación y los factores de amplificación.

Las funcionalidades específicas de postprocesamiento dedicadas a los resultados de dinámica de rotores permiten además extraer automáticamente información como:

• la amplitud del rango de velocidades de funcionamiento;
• el factor de amplificación de un determinado pico de vibración;
• la frecuencia a la que dicho pico se produce.

Estos resultados pueden utilizarse posteriormente en procedimientos de optimización o de Design of Experiments (DoE).