Novità di Simcenter 3D Rotor Dynamics 2606

Le moderne turbomacchine, dai motori a reazione ai compressori industriali, operano ad alte velocità e sotto carichi elevati, condizioni nelle quali anche piccoli errori di previsione possono causare vibrazioni, instabilità o guasti. L’analisi della dinamica dei rotori aiuta gli ingegneri a valutare il comportamento degli alberi e degli assiemi rotanti lungo l’intero intervallo operativo, a identificare le velocità critiche e a individuare i modi di vibrazione che potrebbero innescare fenomeni di risonanza, compromettendo prestazioni, sicurezza e durata del sistema.

Simcenter 3D Rotor Dynamics, incluso Simcenter Nastran SOL 414, consente agli ingegneri di analizzare le vibrazioni nelle macchine rotanti, prevedere i fenomeni di risonanza alle velocità critiche, valutare i carichi sui cuscinetti e verificare la capacità del sistema di resistere a condizioni operative realistiche.

Il calcolo delle velocità critiche di un assieme rotante è un aspetto fondamentale nella progettazione di una turbomacchina. Inoltre, l’intervallo delle velocità di esercizio deve essere sufficientemente distante dalle velocità critiche del sistema per evitare l’insorgere di fenomeni di risonanza, che possono generare elevati livelli di vibrazione. Più avanti vedremo cosa si intende per “sufficientemente distante” e come visualizzare l’intervallo di velocità operative entro il quale la turbomacchina può funzionare in sicurezza.

Con la release 2606, i modi di vibrazione corrispondenti alle velocità critiche di ciascun rotore possono ora essere esportati come risultati di un’analisi modale complessa Nastran SOL 414, insieme al diagramma di Campbell e al diagramma di stabilità.

Nell’esempio mostrato, l’analisi modale complessa calcola il diagramma di Campbell con i modi associati alle velocità critiche del rotore 1 (cerchi gialli) e del rotore 2 (cerchi viola), quando il rapporto tra le velocità di rotazione dei due rotori è pari a 2,0.

Questa funzionalità rappresenta un significativo miglioramento rispetto alla tradizionale analisi diretta delle velocità critiche, che è un’analisi non smorzata e assume proprietà costanti dei cuscinetti. Con questa nuova funzionalità è possibile ottenere i modi di vibrazione alle velocità critiche di ciascun rotore, superando tali limitazioni. Infatti, nella simulazione è possibile definire diversi tipi di smorzamento per valutare la stabilità del sistema rotante, tra cui smorzamento viscoso, modale o isteretico nelle connessioni. Inoltre, i coefficienti dei cuscinetti possono essere definiti come funzione della velocità di rotazione, ottenendo una rappresentazione molto più vicina alle reali condizioni di funzionamento.

I modi alle velocità critiche vengono calcolati per la prima armonica (ordine 1), sia nel caso di un singolo rotore sia di sistemi multirotore, con analisi eseguita in un sistema di riferimento inerziale. I rotori possono essere modellati mediante tutte le principali tecniche disponibili: elementi monodimensionali a trave (1D beam), modelli bidimensionali di Fourier multiarmonica (2D Fourier multi-harmonic), modelli tridimensionali solidi assialsimmetrici (3D solid axisymmetric), modelli tridimensionali con simmetria ciclica comprensivi della trasformazione di Coleman, nonché mediante superelementi.

Tra i risultati disponibili alle velocità critiche rientrano le forme modali, le tensioni, le energie e la distribuzione dell’energia (energia di deformazione, energia cinetica ed energia dissipata) all’interno di gruppi di elementi.

Poiché vengono memorizzati solo i modi corrispondenti alle velocità critiche, anziché quelli calcolati a ogni incremento della velocità di rotazione durante l’intera simulazione, la dimensione del file dei risultati può essere ridotta fino a un fattore 10, con un notevole risparmio di spazio di archiviazione e di risorse, soprattutto quando i risultati vengono gestiti all’interno di un sistema di gestione dei dati.

Analizzando la distribuzione dell’energia di un assieme a una determinata velocità di rotazione, ad esempio alla velocità critica, è possibile identificare, per ciascun modo di vibrazione, quali componenti sono maggiormente sollecitati nel caso in cui il modo entri in risonanza. La distribuzione dell’energia per un gruppo di elementi viene espressa come percentuale dell’energia totale e comprende l’energia di deformazione, l’energia cinetica e, come novità della release 2606, anche l’energia dissipata associata agli effetti di smorzamento.

Nell’esempio illustrato, relativo a due rotori collegati il rotore di bassa pressione e il rotore di alta pressione è possibile analizzare separatamente le sezioni di compressore e turbina. In particolare, la distribuzione dell’energia può essere valutata su quattro gruppi distinti:

• compressore del rotore di bassa pressione
• turbina del rotore di bassa pressione
• compressore del rotore di alta pressione
• turbina del rotore di alta pressione

Per la prima velocità critica di ordine 1 (40 Hz), si osserva che la maggior parte dell’energia è concentrata nel compressore del rotore di bassa pressione. Ciò indica che questa è la zona maggiormente soggetta a deformazioni qualora tale modo venga eccitato. Informazioni di questo tipo sono estremamente importanti per identificare i modi di vibrazione più critici e localizzare le aree della struttura in cui possono verificarsi i fenomeni più pericolosi.

I superelementi sono ampiamente utilizzati nelle analisi di dinamica dei rotori, poiché queste applicazioni riguardano generalmente strutture soggette a piccole deformazioni. Sebbene le simulazioni di dinamica dei rotori possano gestire anche non linearità geometriche, il comportamento strutturale viene normalmente risolto nell’ambito dell’analisi lineare. In questo contesto, l’impiego dei superelementi di Craig-Bampton rappresenta una soluzione estremamente efficace per ridurre drasticamente i tempi di calcolo della simulazione.

Nelle versioni precedenti era già disponibile, in Simcenter Nastran SOL 414, la possibilità di utilizzare superelementi per i rotori ed estrarre diagrammi XY nei nodi interni dei superelementi. Questa funzionalità eliminava la necessità di definire retained nodes esclusivamente per monitorare i risultati.

Per quanto riguarda la distribuzione dell’energia, tuttavia, quando un assieme utilizzava superelementi non era possibile accedere agli elementi interni del superelemento per calcolare la distribuzione energetica. Di conseguenza, il superelemento veniva considerato come un’unica entità e la distribuzione dell’energia era disponibile soltanto a quel livello globale.

A partire da Simcenter 3D 2606, se durante la creazione di un superelemento Simcenter Nastran SOL 414 (sia per un rotore sia per uno statore) vengono definiti dei gruppi di elementi destinati all’analisi della distribuzione dell’energia, tali gruppi possono essere successivamente riutilizzati per calcolare e riportare le tabelle relative all’energia di deformazione, all’energia cinetica e all’energia dissipata, anche quando la simulazione viene eseguita utilizzando la struttura condensata in superelementi.

Questa nuova funzionalità rende il flusso di lavoro significativamente più efficiente per gli ingegneri che sfruttano i vantaggi dei superelementi. Infatti, non è più necessario ricostruire i risultati sulla struttura originale (results recovery). Le tabelle energetiche vengono generate direttamente durante la simulazione nell’ambito di analisi agli autovalori, analisi modali complesse o analisi di risposta armonica.

Nell’esempio seguente, a differenza del precedente, la simulazione utilizza i superelementi. Sebbene, dopo la condensazione della struttura, i gruppi di elementi non siano più direttamente disponibili, l’utente può richiedere alla simulazione di utilizzare quelli definiti durante la creazione del superelemento per calcolare e visualizzare la distribuzione dell’energia.

Simcenter 3D Rotor Dynamics genera i risultati in un formato altamente efficiente basato sull’architettura HDF5, utilizzando il file .scd5, che può essere caricato in Simcenter 3D in modo rapido e semplice.

Questo formato offre numerosi vantaggi. In particolare, per ogni simulazione viene generato un unico file .scd5, che contiene tutti i risultati dell’analisi:

• risultati spaziali relativi ai diversi sottocasi;
• risultati sui nodi e sugli elementi selezionati oppure sull’intera struttura;
• tutti i diagrammi XY generati durante la simulazione.

Per gli ingegneri che operano nel settore delle turbine a gas e devono soddisfare i requisiti della norma API 616, è inoltre possibile richiedere diagrammi XY aggiuntivi che consentono di visualizzare l’intervallo di velocità operativa sufficientemente distante dalle velocità critiche. Il concetto di “sufficientemente distante” viene determinato mediante le formule analitiche previste dalla norma API 616, che definiscono i margini di separazione e i fattori di amplificazione.

Specifiche funzionalità di post-processing dedicate ai risultati di dinamica dei rotori consentono inoltre di estrarre automaticamente informazioni quali:

• l’ampiezza dell’intervallo di velocità operativa;
• il fattore di amplificazione di un determinato picco di vibrazione;
• la frequenza alla quale tale picco si manifesta.

Questi risultati possono essere successivamente utilizzati in procedure di ottimizzazione o di Design of Experiments (DoE).