Tổ hợp tuabin nhiều tầng cánh và thách thức khi thiết kế: Đột phá cùng Simcenter 3D trong phân tích động học rô to
Trong lĩnh vực chế tạo máy – cơ khí, các cụm tuabin nhiều tầng thường được hình thành từ các đĩa cánh ghép nối. Thay vì phải dựng mô hình 3D toàn khối rất phức tạp, kỹ sư có thể tận dụng tính đối xứng tuần hoàn (cyclic symmetry), chỉ cần tạo mô phỏng cho một phần đại diện (sector) của từng tầng cánh. Tuy nhiên, bài toán phát sinh khi mỗi tầng có số sector khác nhau hoặc kết cấu đổi thay, đặc biệt khu vực các điểm nối – khu vực này dễ phá vỡ tính đối xứng. Điều này gây khó khăn khi chuyển qua khung mô phỏng quay, làm xuất hiện nhiều hạn chế nếu các chi tiết cố định (stato, ổ trục) có dạng không đẳng hướng – vốn rất phổ biến ngoài thực tế công nghiệp.
Với bộ giải Simcenter Nastran Rotor Dynamics, các rào cản này giờ đây đã được xử lý nhờ công nghệ biến đổi Coleman, cho phép tính toán cả các phần không đẳng hướng trong mô phỏng. Đặc biệt, Simcenter 3D (phiên bản 2506) đã mở rộng phép biến đổi này cho các tổ hợp nhiều tầng cánh có đối xứng tuần hoàn khác nhau, tối ưu hóa quá trình phân tích cho tuabin khí, tuabin hơi, động cơ phản lực và hơn thế nữa.
Công nghệ biến đổi Coleman cho mô hình nhiều tầng cyclic symmetry
Biến đổi Coleman cung cấp lối đi hiệu quả để tạo ma trận bất biến theo thời gian trong hệ quy chiếu cố định với các rô to tuần hoàn. Nhờ vậy, các đơn giản hoá như sơ đồ Campbell và phân tích ổn định có thể xác định chính xác tốc độ cộng hưởng nguy hiểm trong hệ thống. Nếu mô hình mang tính đối xứng tuần hoàn hoàn toàn, kết quả sẽ tương đương với giải thuật Floquet truyền thống. Quan trọng nhất, nhờ Coleman, kỹ sư có thể tích hợp các phần tử không đẳng hướng vốn bị loại trừ trước đây, tạo tiền đề nghiên cứu các cụm rô to đa tầng phức tạp hơn nhiều.
Simcenter 3D xuất sắc trong mô phỏng rô to gắn cánh
Simcenter 3D đưa khả năng phân tích rô to lên một tầm cao mới: kỹ sư có thể mô phỏng toàn hệ thống dù cấu trúc có đối xứng trục hoặc không. Tất cả các kết quả – sơ đồ Campbell, mode phức và dữ liệu tham chiếu ở hệ quy chiếu cố định – giúp người dùng dễ dàng nhận diện đặc điểm dao động cũng như những nguy cơ cộng hưởng tiềm ẩn.
Hướng dẫn 5 bước phân tích mode phức cho rô to trong Simcenter 3D
Bước 1: Chuẩn bị mô hình liên kết các tầng cánh
Khởi tạo mô hình nối kết các tầng cánh bằng hình học 3D và ứng dụng khái niệm master model – mỗi khi cập nhật thiết kế, lưới FEA sẽ tự động đồng bộ hóa chỉ còn việc chạy lại mô phỏng.
Bước 2: Tạo mesh các sector cyclic symmetry từng tầng
Từng tầng cánh sẽ cần xác định sector đại diện và tạo lưới mesh cho phần đó – một sector có thể gồm một hoặc nhiều cánh, linh động theo từng thiết kế tuabin khác nhau.
Bước 3: Nối ghép các tầng tại vị trí liên kết
Phải định vị chính xác vùng kết nối giữa các tầng. Phần mềm tự động bổ sung các sóng điều hòa bậc cao nhằm đảm bảo tính liên tục kết quả mô phỏng tại vùng ghép nối.
Bước 4: Thiết lập và chạy phân tích mode phức
Thực hiện phân tích mode phức trên hệ quy chiếu quay, bật tính năng biến đổi Coleman. Hệ thống sẽ tính toán đồng thời nhiều thành phần điều hòa, các ổ trục/stato không đẳng hướng cũng được mô phỏng chi tiết. Kết quả xuất về lại hệ quy chiếu cố định để tiện phân tích chuyên sâu.
Bước 5: Phân tích hậu kỳ kết quả mô phỏng
Biểu đồ Campbell thể hiện sự biến thiên tần số riêng theo tốc độ quay cũng như hiệu ứng con quay (gyroscopic), còn phép biến đổi Coleman hỗ trợ khảo sát đồng thời nhiều mode sóng điều hòa mà các phương pháp truyền thống khó thực hiện. Các mode 0-dường kính, 1-dường kính ... đều được đọc trực tiếp giúp mô tả chính xác các trạng thái dao động hệ thống.
Cyclic symmetry – Giải pháp giúp tiết kiệm và tối ưu mô phỏng
Dùng cyclic symmetry, kỹ sư sẽ giảm đáng kể khối lượng và thời gian tính toán bằng cách tận dụng cấu trúc lặp của cụm tuabin – không còn cần dựng toàn bộ mô hình 3D đầy đủ nữa. Ngoài ưu điểm đó, Simcenter 3D Rotor Dynamics còn mang đến nhiều tiện ích như:
- Kết hợp đa dạng mô hình từ 1D, 2D Fourier tới 3D để xây dựng rô to đa tầng linh hoạt và mạnh mẽ.
- Kết nối rô to với ổ trục, lò xo, giảm chấn... qua các linh kiện mô phỏng đàn hồi – giảm chấn dễ tuỳ chỉnh thông số.
- Xây dựng super-element từ sector cyclic symmetry; áp dụng Component Mode Synthesis tạo các mô hình rút gọn mà vẫn chính xác cao để lắp ghép mô hình lớn hoặc hậu kỳ hiệu quả.
- Hỗ trợ phân tích dao động khi kết cấu chịu tiền ứng suất phi tuyến (nonlinear prestress), cực kỳ hữu ích với cánh dài/mảnh biến dạng lớn bởi lực ly tâm – hoàn toàn tính được mode biến thiên trên trạng thái phi tuyến phục vụ bài toán đáp ứng tần số.
Nhờ các cải tiến này, kỹ sư cơ khí dễ dàng mô phỏng tổ hợp rô to đa tầng – kể cả vùng ổ trục/stato không đẳng hướng – và xuất kết quả trực tiếp trên hệ quy chiếu cố định, mở ra nhiều cơ hội tối ưu hóa trong ngành CAD CAM – chế tạo máy.
Xem thêm các chủ đề động học rô to nổi bật
- Hiểu trực giác về hệ quay
- Nâng cao hiệu quả động học rô to tuabin đa tầng
- Chống thất bại động cơ máy bay
- Kết hợp tốc độ và độ chính xác cho bài toán rô to đối xứng trục
- Vai trò của mô hình ổ trục trong mô phỏng rô to
- Cyclic symmetry đa tầng trong động học rô to
- Tiến bộ trong cộng hưởng và cyclic symmetry rotor cánh ghép
- Nhận diện đỉnh đáp ứng hài hệ phi tuyến
- Giám sát độ hở trong hệ quay
- Ứng xử khi rô to gặp khiếm khuyết/bất đối xứng
- Đảm bảo động cơ hoạt động an toàn nhờ mô phỏng rô to
