Neden Rotor Dinamiği Analizine İhtiyaç Duyarız?

Jet motorlarından endüstriyel kompresörlere kadar modern turbo makineler, yüksek dönme hızlarında ve ağır yükler altında çalışmaktadır. Bu koşullarda küçük modelleme hataları bile yapısal titreşime, dinamik kararsızlığa veya mekanik hasara yol açabilir.

Rotor dinamiği analizi; mühendislerin şaft ve rotor düzeneklerinin tüm çalışma hızı aralığı boyunca dinamik davranışını değerlendirmesine, kritik hızları tespit etmesine ve rezonansa zemin hazırlayarak performansı, güvenliği ya da yorulma ömrünü olumsuz etkileyen mod şekillerini belirlenmesine imkân tanır.

Simcenter Nastran SOL 414 çözücüsünü bünyesinde barındıran Simcenter 3D Rotor Dynamics; dönen makinelerdeki titreşim davranışını analiz etmeye, kritik hızlarda rezonansı öngörmeye, yatak tepki kuvvetlerini hesaplamaya ve sistemin gerçekçi çalışma koşulları altındaki yapısal bütünlüğünü değerlendirmeye olanak sağlar.

Simcenter 3D Rotor Dynamics 2606’daki Yenilikler

Simcenter 3D 2606 sürümünde kullanıcılar, hızlı işleme ile analizde temel sonuçlara erişerek simülasyon sürecini daha verimli hale getirebilir. Bu blogda 2606 sürümünün üç öne çıkan özelliğini ele alıyoruz.

• Kritik hızlara karşılık gelen mod şekillerinin postprocessing ortamında görselleştirilmesi ve raporlanması

• Supereleman kullanıldığında dahi tam rotor düzeneğinde enerji dağılımım

• HDF5 mimarisi kullanan daha hızlı sonuç formatı: Simcenter veri dosyası (.scd5)

Rotor Düzeneğinin Kritik Hız Analizi

Bir rotor düzeneğinin kritik hızlarının doğru hesaplanması, turbo makine tasarımının temel gereksinimlerinden biridir. Çalışma hızı aralığı, sistemin kritik hızlarından yeterli bir ayrım marjıyla uzakta tutulmalıdır; aksi hâlde rezonans koşulları oluşur ve yüksek genlikli titreşimler yapısal hasara zemin hazırlar.

2606 sürümüyle birlikte, her rotorun kritik hızlarına karşılık gelen mod şekilleri artık Campbell diyagramı ve kararlılık diyagramı ile eş zamanlı olarak Nastran SOL 414 kompleks modal analiz sonuçları arasında sunulmaktadır.

Aşağıdaki görselde iki rotor arasındaki hız oranının 2,0 olarak tanımlandığı konfigürasyonda kompleks modal analiz; Rotor 1 (sarı daireler) ve Rotor 2 (mor daireler) için kritik hız noktalarını Campbell diyagramı üzerinde işaretlemiştir.

Karmaşık Modal Analiz

Bu yetenek, klasik doğrudan kritik hız analizinin kapsamının ötesine taşımaktadır. Doğrudan kritik hız analizi; sabit yatak rijitlik ve sönüm katsayılarıyla gerçekleştirilen sönümsüz bir analizdir. Yeni geliştirmeyle birlikte aşağıdaki gelişmiş tanımlamalar mümkün hâle gelmektedir:

•Viskoz sönüm, modal sönüm veya yapısal sönüm tanımlaması yapılarak dönen sistemin kararlılığı değerlendirilebilir

•Yatak katsayıları, dönme hızının fonksiyonu olarak tanımlanabilir; böylece gerçek çalışma koşullarını çok daha doğru yansıtır

•Sönümlü sistemlerde rezonans frekanslarının kayması hesaba katılır

Kritik hız modları; bir veya birden fazla rotorun atalet referans çerçevesinde,1. uyarım mertebesi için hesaplanır. Rotor modellemede desteklenen yaklaşımlar şunlardır:

•1B kiriş elemanı modeli

•2B Fourier çok-harmonik modeli

•3B eksenel simetrik katı eleman modeli

•Coleman dönüşümü içeren 3B döngüsel simetri modeli

•Craig-Bampton yöntemiyle oluşturulan superelemanlar

Rotor Düzeneği Bileşenlerinde Enerji Dağılımı

Kritik hız gibi belirli bir çalışma hızında enerji dağılımı incelendiğinde, her bir mod için yapının hangi bileşeninin en yüksek enerji konsantrasyonuna sahip olduğu görülür. Bu, ilgili mod rezonansa girdiğinde deformasyon veya hasar riskinin hangi bölgede yoğunlaştığını doğrudan ortaya koyar.

Bir eleman grubu için enerji dağılımı; gerinim enerjisi, kinetik enerji ve 2606 sürümüyle eklenen sönüm enerjisi bileşenleri için toplam sistem enerjisine oranla yüzde olarak sunulmaktadır.

Aşağıdaki örnekte, alçak basınçlı rotor (LP rotor) ve yüksek basınçlı rotor (HP rotor) olmak üzere birbiriyle mekanik olarak bağlı iki rotordan oluşan düzenek ele alınmaktadır. Kompresör ve türbin bölümleri ayrı eleman grupları olarak tanımlanmış; dört bağımsız grup, LP rotor kompresörü, LP rotor türbini, HP rotor kompresörü ve HP rotor türbini, enerji dağılımı açısından ayrıştırılmıştır.

Birbiriyle Bağlantılı İki Rotor – Alçak ve Yüksek Basınçlı

Kritik Hız – Enerji Dağılımı

1. uyarım mertebesindeki birinci kritik hız (40 Hz) incelendiğinde, toplam sistem enerjisinin büyük bölümünün LP rotor kompresör bölgesinde yoğunlaştığı görülmektedir. Bu, söz konusu modun aktive edilmesi durumunda yapısal deformasyonun en yoğun bu bölgede gerçekleşeceğine işaret eder. Bu tür enerji haritalama analizleri; hangi modların kritik tasarım yükleri oluşturduğunu ve yapının hangi bölümünün öncelikli olarak güçlendirilmesi gerektiğini belirlemede doğrudan kullanılabilir.

Supereleman Kullanımında Enerji Dağılımı

Rotor dinamiği analizlerinde superelemanlar yaygın biçimde tercih edilmektedir. Bunun başlıca nedeni, rotor dinamiğinin küçük deformasyon rejimiyle çalışan doğrusal bir alan olmasıdır. Yapının Craig-Bampton yöntemiyle superelaman hâline getirilmesi, hesaplama süresini önemli ölçüde düşürürken fiziksel doğruluğu korur.

Önceki sürümlerden itibaren Simcenter Nastran SOL 414; superelemanların iç düğümlerinde XY grafikleri üretebilmekteydi. Bu, yalnızca sonuç izleme amacıyla yapı üzerinde ek serbest bırakılmış düğümler tanımlama zorunluluğunu ortadan kaldırmıştır. Ancak enerji dağılımı söz konusu olduğunda, superelemanlar içindeki bireysel elemanlara erişim mümkün değildi; enerji dağılımı superelemanın tamamını tek bir varlık olarak ele alarak hesaplanıyordu.

Simcenter 3D 2606 sürümünden itibaren, superelemanın oluşturma aşamasında rotor veya stator için tanımlanan eleman grupları; yapı superelaman hâlinde kullanıldığında gerinim enerjisi, kinetik enerji ve sönüm enerjisi tablolarının üretiminde doğrudan kullanılabilmektedir. Bu geliştirmenin mühendislik açısından kritik avantajları şunlardır:

•Özgün FEM modelinin geri kazanımı işlemine gerek kalmaz

•Enerji tabloları; eigenvalue analizi, kompleks modal analiz veya harmonik tepki analizi sırasında doğrudan çözücü tarafından üretilir

•Postprocessing iş akışı önemli ölçüde kısalır; hesaplama kaynakları daha verimli kullanılır

Simcenter Veri Dosyası (.scd5) ile Postprocessing Verimliliği

Simcenter 3D Rotor Dynamics 2606, analiz sonuçlarını HDF5 (Hierarchical Data Format version 5) mimarisine dayalı .scd5 formatında üretmektedir. Bu format, büyük ölçekli simülasyon sonuçlarının hızlı okunması ve Simcenter 3D postprocessing ortamına etkin biçimde aktarılması için optimize edilmiştir.

Simcenter veri dosyasının (.scd5) formatının temel avantajları şunlardır:

•Bir simülasyon için tüm sonuçlar — farklı alt analiz durumlarındaki (subcase) uzamsal sonuçlar, seçili düğüm ve eleman sonuçları ile XY grafik verileri — tek bir dosyada tutulur

•Dosya boyutu küçük, okuma hızı yüksektir; veri yönetim sistemlerine aktarım kolaylaşır

•Tüm postprocessing işlemleri tek bir veri kaynağı üzerinden yürütülür; dosya tutarsızlığı riski ortadan kalkar

API 616 standardına göre çalışan gaz türbini uygulamalarında, çalışma hızı aralığının kritik hızlardan yeterli ayrım marjını sağlayıp sağlamadığı ek XY grafikleriyle görselleştirilebilmektedir. Standart kapsamındaki ayrım marjı ve amplifikasyon faktörü hesaplamaları analitik formüllerle yürütülür.

Rotor dinamiği postprocessing araçları sayesinde aşağıdaki parametreler doğrudan elde edilebilir ve optimizasyon ya da Deney Tasarımı (DoE) süreçlerine girdi olarak aktarılabilir:

•Güvenli çalışma hızı aralığının genişliği

•Seçili bir rezonans tepesinin amplifikasyon faktörü

•Rezonans tepesinin gerçekleştiği frekans değeri

Sonuç: 2606 Sürümünde Üç Eksenli Verimlilik Artışı

Simcenter Nastran 2606, rotor dinamiği simülasyon iş akışının üç temel ekseninde ölçülebilir verimlilik kazanımı sunmaktadır:

Postprocessing Verimliliği

•HDF5 tabanlı .scd5 formatı sayesinde hızlı ve bütünleşik postprocessing

•Tüm hız adımları yerine yalnızca kritik hız noktalarında mod şekli üretimi — sonuç dosyası boyutunda 10× küçülme

•Superelemanlar kullanıldığında dahi eleman grubu bazlı gerinim, kinetik ve sönüm enerjisi tabloları

Rotor ve Kasanın Modellenmesinde Verimlilik

1B kiriş, 2B Fourier çok-harmonik, 3B eksenel simetrik katı eleman ve döngüsel simetri modelleme yaklaşımları; eksenel simetri, periyodiklik veya doğrusal sistem davranışından yararlanarak özgün yapının indirgenmiş ancak yüksek doğruluklu temsil edilmesini sağlar.