Vejledende vibrationssimuleringer for møller

Hvis du nogensinde har følt dig frustreret, mens du stirrede på et lille snurrehjul, mens en computer afslutter en opgave, prøv at vente i seks uger.

Det er situationen, luftfartsingeniører ofte befinder sig i, når de designer en ny turbine. Med flere ventilatorblade, der snurrer tusinder af gange i minuttet, og luftstrømme bevæger sig hurtigere end lydens hastighed, nøjagtigt at modellere den komplekse maskine er en skræmmende udfordring.

Stort set alle kommercielle fly bruger turbinemotorer, og 90 procent af verdens elektricitet produceres af møller. I begyndelsen af ​​1990'erne, verdens førende mølleproducenter, US Air Force og NASA kom sammen med akademiske eksperter og et softwarevirksomhed for at danne GUIde -konsortiet for at løse de "store udfordringer" inden for turbomaskinens aeromekanik. Nu i sin sjette iteration, programmet arbejder på at reducere den tid, pinwheel drejer fra uger til dage på samme tid, hvilket øger simuleringens nøjagtighed.

"GUIde-konsortiet finansierer præ-konkurrencedygtig forskning for at imødekomme behovene til dets medlemmers designmetoder, "sagde Robert Kielb, direktør for GUIde -konsortiet og professor i praksis med maskinteknik og materialevidenskab ved Duke University, som har fungeret som programmets førende institution siden 2008. "I de sidste seks år har vi har fokuseret på tvungen reaktion fra en integreret kompressor, som dikterer, hvordan interaktive trykbølger tvinger en turbojets ventilatorblade til at vibrere. "

Disse vibrationer er både et sikkerheds- og et omkostningsspørgsmål. Hvis knivene vibrerer for meget, de kan blive beskadiget over tid og kræve kostbar vedligeholdelse. Eller værre, de kan gå i stykker og forårsage motorfejl.

Turbojet ingeniørvirksomheder har hver deres egen interne software til at designe nye motorer, men de er afhængige af forskning udført af GUIde -konsortiet for at sikre, at deres software er nøjagtig. De køber også pakker og programmer fra ANSYS, det ene softwarevirksomhed i GUIde -konsortiet, som arbejder med forskere i gruppen for at teste og forbedre deres produkter.

I det forløbne år, Hertugforskere ledet af Shreyas Hegde, en ph.d. studerende i Kielbs laboratorium, behandlet flere centrale spørgsmål i modelleringssoftware produceret af ANSYS.

"Industriens modeller foretager typisk en komplet 360-graders analyse for at finde ud af, hvordan hver række blæserblade får sine naboer til at vibrere, "sagde Hegde." Vi forsøger at hjælpe med at forenkle disse simuleringer uden at miste nogen nøjagtighed i resultaterne. "

En turbojet -ventilator består af rækker af knive, der skifter mellem stationære "statorer" og roterende "rotorer". Selvom en stor motor har flere sæt af hver, simuleringer brugt i designfasen typisk kun model en rotor klemt mellem to statorer.

I en nylig undersøgelse, Kielb, Hegde og deres kolleger kiggede for at se, hvilke effekter tilføjelse af en anden nedstrøms rotor har på simuleringen. De fandt ud af, at trykbølgerne, der strømmer gennem systemet, ofte reflekterer tilbage fra dette trin og påvirker vibrationen af ​​ventilatorbladene, der blev fundet tidligere i motoren.

"Det er ikke den bedste nyhed for virksomheder, der designer turbojets, fordi jo mere kompliceret modellen bliver, jo længere og vanskeligere at fortolke resultaterne, "sagde Kielb." Men hvis du ikke inkluderede den ekstra rotor, du kan afvise et design, selvom interaktionseffekter fra den rotor ville reducere den tvungne vibration nok til at få det til at fungere fint. Eller det modsatte kan ske, hvor tilføjelse af rotoren til analysen viser, at vibrationsamplituden faktisk vil være højere. "

Simuleringer er lettere at gennemføre, hvis hver af rotorer og statorer har et antal ventilatorblade med en fællesnævner. For eksempel, hvis standardstatoren-rotor-statorsimuleringen beskrevet ovenfor indeholdt blæserblade med nummer 44-33-44-fællesnævneren er 11-kunne den forenkles til kun 4-3-4, men stadig være helt præcis.

I ikke-ensartede modeller, et af disse tal er lidt slukket. I dette eksempel, antallet af ventilatorblade kan ændre sig til 44-33-48. Selv små forskelle som dette har længe været en torn i industriens side, når man forsøger at simulere et designs ydeevne.

I en anden ny justering af softwaren, ANSYS gjorde det muligt at gennemføre forkortede simuleringer af disse ikke-ensartede modeller, og vendte sig til Duke for at kontrollere deres arbejde.

"Vi sammensatte en hel 360-graders model, der omfattede alle de kompleksiteter, du kunne tænke dig, "sagde Kielb." Det gav en mere præcis gengivelse af den nye ANSYS softwares evner og begrænsninger. "

Gruppen finder ud af, at ANSYS -softwaren i de fleste tilfælde fungerer godt, men i nogle tilfælde, det fungerer ikke særlig godt, og virksomhederne har brug for at vide, hvilke sager der er hvilke.

Og det gør ANSYS også. Takket være arbejdet på Duke, softwarefirmaet kan opdage problemer med deres metoder og rette dem, hvilket hjælper hele turbineindustrien.

"GUIde -konsortiet har stået på i bedre del af to årtier, og det viste sig at være et virkelig gensidigt fordelagtigt arrangement for alle involverede, "sagde Kielb." Vi kommer til at bruge yderligere to år på at få disse tvungne vibrationssimuleringer til at fungere så godt vi kan, og derefter vil konsortiet gå videre til andre udfordringer. "