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.

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

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.

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.

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.

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.