PL
EN

Modelowanie i analiza oddziaływań dynamicznych

Modelowanie oddziaływań dynamicznych w złożonych układach wirnik - łożyska – konstrukcja podpierająca metodą analizy nieliniowej.

Maszyna wirnikowa jest złożonym układem mechanicznym, na który składają się trzy główne podukłady:

  1. linia wirników,
  2. łożyska,
  3. konstrukcja podpierająca.

W efekcie wielu lat pracy zespołu naukowego zaproponowany został nowy i jednolity opis w postaci środowiska komputerowego MESWIR. Opis ten jest właściwy zarówno dla klasy małych maszyn wirnikowych, jak i dużych maszyn energetycznych np.: turbozespołów parowych. System MESWIR umożliwia analizę właściwości dynamicznych maszyny wirnikowej w całym zakresie prędkości obrotowych, również po przekroczeniu granicy stabilności. Jego istotę stanowi nieliniowy opis zjawisk. Możliwy zatem jest zarówno opis drgań po przekroczeniu granicy stabilności jak i wygenerowanie nieeliptycznych trajektorii przemieszczeń i złożonych widm drgań w stabilnym zakresie pracy za pomocą jednego narzędzia badawczego (rys. 1). System pozwala również na analizę układów wirujących w obecności różnej klasy defektów (rys. 2).

Rys. 1. Idea opisu nieliniowego zastosowana w systemie komputerowym MESWIR.

Przykład modelu MES linii wirników z defektami.

Rys. 2. Przykład modelu MES linii wirników z defektami.


Szczegółowy opis środowiska obliczeniowego MESWIR znajduje się monografii dostępnej pod adresem:
http://www.dynamika-wirnikow.imp.gda.pl/r3.htm

2. Mdelowanie łożysk foliowych

W Zakładzie Dynamiki i Diagnostyki Turbin opracowywane są modele łożysk foliowych oraz wirników podpartych na tego typu łożyskach. Łożyska foliowe stanowią układ bardzo trudny do zamodelowania teoretycznego. Konieczne jest uwzględnienie interakcji pomiędzy przepływową i strukturalną warstwą nośną, zjawisk kontaktowych z uwzględnieniem tarcia, przypływu czynnika smarnego w zdeformowanej szczelinie smarnej oraz wymiany ciepła. Prace te nakierowane są na opracowanie wiarygodnych modeli, które są wykorzystywane podczas projektowania, badania oraz optymalizacji układów wirujących z łożyskami foliowymi.

 

Rys. 3. Przykładowe wyniki analizy wytrzymałościowej elementów łożyska foliowego.

 

Rys. 4. Rozkład temperatury w panwi łożyska foliowego.

 

Na potrzeby weryfikacji opracowywanych modeli prowadzone są badania eksperymentalne łożysk foliowych w różnych warunkach pracy, na specjalnie do tego celu opracowanym stanowisku badawczym. Zespół IMP PAN uczestniczy również w projektach badawczych, których efektem są m.in. innowacyjne rozwiązania konstrukcyjne łożysk foliowych oraz modele numeryczne i programy komputerowe służące do analizy takich łożysk. Prowadzone są również prace badawcze, których celem jest poprawa stabilności termicznej łożysk foliowych przy wykorzystaniu materiałów termoelektrycznych.

Symulacyjna analiza konstrukcji metodą elementów skończonych

Modele numeryczne znajdują szerokie zastosowanie w projektowaniu i diagnostyce maszyn wirnikowych. Modele te są dostrajane w oparciu o wyniki badań doświadczalnych i pomiarów prowadzonych zarówno na obiektach rzeczywistych jak i stanowiskach laboratoryjnych. W pracach prowadzonych w Zakładzie Dynamiki i Diagnostyki Turbin wykorzystywane są modele numeryczne symulujące stany dynamiczne maszyn wirnikowych. Badania realizowane z wykorzystaniem takich modeli pozwalają m.in. na wyznaczenie częstotliwości i postaci drgań własnych, analizę wytrzymałościową czy ciepną oraz optymalizację wielokryterialną konstrukcji.

Rys. 5. Analiza numeryczna drgań wirnika mikroturbiny w korpusie w systemie ANSYS.

 

Rys. 6. Model MES wirnika wraz z łożyskami i konstrukcją
podpierającą opracowany w systemie ABAQUS.

 

Rys. 7. Analiza symulacyjna drgań wirnika w programie MADYN 2000.

Diagnostyka według modelu dużych obiektów energetycznych

Zakład uczestniczył w pracach prowadzonych na potrzeby realizacji dużego interdyscyplinarnego projektu „DIADYN” Zintegrowany Dynamiczny System Oceny Ryzyka, Diagnostyki Oraz Sterowania Dla Obiektów I Procesów Technicznych.

Głównym efektem końcowym tego projektu jest metodologia opracowywania „inteligentnych” systemów zarządzania dla tzw. fabryk przyszłości, w tym prototyp hybrydowego, dynamicznego systemu eksperckiego nowej generacji, łączącego w sobie elementy oceny ryzyka, kontroli bezpieczeństwa pracy, diagnostyki dynamicznej, przepływowo-cieplnej oraz materiałowej. Oryginalnym pomysłem jest tu próba połączenia możliwości sterowania charakterystykami materiałowymi obiektów z tradycyjnymi metodami opisu ich stanu, przez co realizowana jest zasada modelowania wszystkich istotnych sprzężeń występujących w układach mechanicznych.

Część prac prowadzonych w ramach projektu dotyczyła opracowania nowych metod analizy dla turbozespołów energetycznych nowej generacji, a więc stworzenia podstaw dla bezpiecznej, ekologicznej i wysokosprawnej energetyki konwencjonalnej.

Modelowanie wymiany ciepła w węzłach łożyskowych w oparciu o modele 3D

Głównym celem naukowym tego kierunku prac jest doskonalenie algorytmu modelowania i jego implementacja techniczna w złożonych układach wirnik - łożyska ślizgowe – konstrukcja podpierająca z uwzględnieniem wzajemnych oddziaływań przepływu i struktury. Badania tego typu są także prowadzone dla łożysk foliowych.

Wzrost temperatury czynnika smarnego powoduje termiczne odkształcenia elementów łożyska i zmianę geometrii szczeliny smarnej. Zmieniona geometria szczeliny smarnej zmienia w sposób często jakościowy warunki przepływu, a więc pole ciśnień i temperatur w łożysku. Nowe wartości pola ciśnienia i temperatury powodują inne odkształcenia sprężyste i termiczne elementów łożyska. Aby dokładnie modelować rzeczywiste zjawiska zachodzące w szczelinie smarnej łożyska koniecznym zatem jest uwzględnianie wzajemnych oddziaływań czynnika smarnego i elementów konstrukcyjnych łożyska – w szczególności panwi.

W ramach prac badawczych opracowano nowy model wielopodporowej maszyny wirnikowej z uwzględnieniem deformacji termosprężystych panwi oraz różnych konfiguracji utwierdzeń zewnętrznych panwi i ich wpływu na charakterystyki łożyska oraz całego układu wirnik-łożyska-fundament. Implementacja techniczna polega na włączeniu wyników symulacji do rozproszonej bazy wiedzy istniejącego systemu doradczego.

 

Rys. 8. Procesy cieplne zachodzące w łożyskach ślizgowych.

 

 

  Rys. 9. Przykładowy rozkład deformacji termosprężystych w łożysku ślizgowym.

DO GÓRY