Динамический анализ турбокомпрессора с помощью модуля Роторная динамика

Brianne Costa 11/07/2018
Share this on Facebook Share this on Twitter Share this on LinkedIn

Приставка «турбо» часто используется для ассоциации с высокой скоростью. Например, кофе, который зарядит вас энергией быстрее, чем обычный, могут назвать «турбокофе». Турбокомпрессоры тоже увеличивают скорость, но они работают в двигателях внутреннего сгорания, а не в чашках кофе. Турбокомпрессоры работают за счет наддува от турбинного привода и часто устанавливаются на гидродинамические подшипники. Однако в таких подшипниках присутствуют взаимосвязанные нагрузки, которые вызывают отрицательное демпфирование и отказ системы. Моделируя роторную динамику такой системы, мы можем проанализировать, как эти нагрузки влияют на работу турбокомпрессора.

Что такое турбокомпрессор?

Турбокомпрессоры повышают эффективность и выработку энергии в двигателях внутреннего сгорания путем наддува дополнительного воздуха в камеру сгорания. Эти устройства в основном используются в обычных транспортных средствах, например, в легковых автомобилях (как бензиновых, так и дизельных) и мотоциклах, а также и в более крупных аппаратах: в поездах, судах, самолетах и космических аппаратах.

Фотография турбокомпрессора с видом в разрезе.
Вид с местным разрезом турбокомпрессора, используемого для двигательных установок в авиакосмических летательных аппаратах. Автор изображения — Квентин Швинн (Quentin Schwinn), NASA. Изображение в общественном достоянии доступно на Викискладе.

В гидродинамических подшипниках, на которые устанавливаются турбокомпрессоры в двигательной системе, часто возникают взаимосвязанные нагрузки, которые вызывают отрицательное демпфирование в роторе. Это повышает риск отказа подшипника и, как следствие, отказа всей системы. При отказе турбокомпрессора в двигателе автомобиля последний может загореться.

Чтобы сконструировать турбокомпрессор, который будет работать безопасно, можно провести динамический анализ роторной системы с помощью модуля Роторная динамика, который является расширением для модуля Механика конструкций программного пакета COMSOL Multiphysics®.

Два исследования модели турбокомпрессора в программном пакете COMSOL®

Модель простого турбокомпрессора, используемая в этом примере, включает в себя турбину, компрессор и два гидродинамических подшипника:

Схема типового турбокомпрессора.

В модуле Роторная динамика доступны специальный функционал для такого анализа, благодаря чему можно легко настроить геометрию модели, физический интерфейс и параметры исследований.

Наложение двух изображений, на которых показаны результаты двух разных исследований роторной динамики в программном пакете COMSOL®.
Два типа исследования роторной динамики для модели турбокомпрессора.

В учебной модели рассмотрено два типа исследований:

  1. Анализ на собственные частоты
  2. Гармонический анализ в частотной области

По результатам этих исследований можно получить более подробное представление о рабочих характеристиках турбокомпрессора и условиях его эксплуатации, например, об угловой скорости и демпфировании.

Результаты расчета на собственные частоты

В первом исследовании вычисляются собственные частоты турбокомпрессора при разных угловых скоростях. В данном случае важно значение логарифмического декремента, которое можно использовать для определения стабильности роторной системы. Если оно положительно, система считается стабильной. Если отрицательно, значит, система нестабильна. Нулевое значение указывает на отсутствие демпфирования колебаний данной моды.

График логарифмического декремента в турбокомпрессоре.

График логарифмического декремента в турбокомпрессоре при учете жесткостных характеристик.

Графики логарифмического декремента для модели турбокомпрессора со взаимосвязанными коэффициентами жесткости (справа) и без них (слева).

Значения логарифмического декремента турбокомпрессора по большей части отрицательны после включения членов уравнения, отвечающих за взаимосвязанные коэффициенты жесткости подшипника. Это означает, что стабильные вибрации при наличии взаимосвязанной жесткости становятся нестабильными, — при этом работа турбокомпрессора на испытанных скоростях становится опасной.

Логарифмический декремент и, следовательно, стабильность системы можно повысить, добавив в конструкцию турбокомпрессора несколько элементов:

  • Упорные сегментные подшипники
  • Радиальные подшипники с плавающей втулкой
  • Демпфирование в материале ротора
  • Демпферы на основе сжатой пленки

Результаты анализа частотного отклика

Для визуализации результатов исследования в частотной области можно построить каскадные (Waterfall) диаграммы, которые показывают, как спектр частот ротора изменяется при разных угловых скоростях. И снова, мы сравниваем отклик турбокомпрессора с взаимосвязанными нагрузками и без них.

График частотного отклика турбокомпрессора в COMSOL Multiphysics.

Каскадная диаграмма турбокомпрессора со взаимосвязанными жесткостными характеристиками.

Каскадные диаграммы для модели турбокомпрессора со взаимосвязанными коэффициентами жесткости (справа) и без них (слева).

Из-за эксцентриситета турбины и компрессора турбокомпрессора без взаимосвязанных коэффициентов жесткости больше мод колебаний находятся в возбужденном состоянии, как показано на рисунке выше. Однако в турбокомпрессоре при учете указанных жесткостных характеристик не все эти колебания возбуждаются. Это означает, что некоторые моды, которые потенциально возбуждаются при отсутствии взаимосвязанных жесткостных характеристик из-за эксцентриситета турбины и компрессоров, при наличии жесткости подавляются. Следовательно, для возбуждения этих колебаний при наличии взаимосвязанных жесткостных характеристик могут потребоваться другие сочетания нагрузок.

Дальнейшие шаги

Попробуйте проанализировать, как взаимосвязанные нагрузки, присутствующие в подшипниках, влияют на работу турбокомпрессора: Нажмите на кнопку ниже, чтобы перейти в Библиотеку моделей и приложений, в которой можно загрузить пошаговые инструкции по сборке модели и MPH-файл (при наличии учетной записи COMSOL Access и действующей лицензии на программное обеспечение).

Узнайте подробнее об использовании моделирования в проектировании турбокомпрессоров:


Загрузка комментариев...

Темы публикаций


Теги

3D печать Cерия "Гибридное моделирование" Введение в среду разработки приложений Видео Волновые электромагнитные процессы Глазами пользователя Графен Интернет вещей Кластеры Моделирование высокочастотных электромагнитных явлений на различных пространственных масштабах Модуль AC/DC Модуль MEMS Модуль Акустика Модуль Волновая оптика Модуль Геометрическая оптика Модуль Композитные материалы Модуль Механика конструкций Модуль Миксер Модуль Нелинейные конструкционные материалы Модуль Оптимизация Модуль Плазма Модуль Полупроводники Модуль Радиочастоты Модуль Роторная динамика Модуль Течение в трубопроводах Модуль Химические реакции Модуль аккумуляторов и топливных элементов Охлаждение испарением Пищевые технологии Рубрика Решатели Серия "Геотермальная энергия" Серия "Конструкционные материалы" Серия "Электрические машины" Серия “Моделирование зубчатых передач” Сертифицированные консультанты Технический контент Указания по применению модуле Теплопередача модуль Вычислительная гидродинамика физика спорта