Coupled thermomechanical finite element analysis for a turbomachinery rotor

Abstract

This study investigates the coupled thermal-mechanical finite element analysis (FEM) applied to a rotor structure while focusing on the shrink-fitted compressor and rotor dynamics. The research highlights the significance of a multiphysics approach in accurately simulating the behaviour of high-speed rotating structures, emphasising the need for considering both thermal and mechanical loads.

The methodology used includes detailed FEM simulations using the commercial software ANSYS. A shrink fit joint is analysed using three separate operational conditions: idle condition, nominal speed and safety speed. The results illustrate the impact of thermal expansion and centrifugal forces on the joint's reliability, providing the optimal penetration values for the contact regions of the joint, to prevent failure. Additionally, the study compares the results from rotor dynamic analyses using 3D solid elements and a beam element model. This is done to determine the difference between 3D FEM and a simpler model in the application of simulating complex systems and their rotor dynamics.

The results highlight the importance of using a comprehensive thermal-mechanical coupled analysis for the safe and optimized design of turbomachinery components, especially components whose function is highly susceptible to both thermal and mechanical loads. The study also provides valuable insights into the behaviour of shrink-fit joints and rotor dynamics.

Tämä tutkimus käsittelee kytkettyä lämpömekaanista elementtimenetelmäanalyysiä (FEM analyysiä), jota sovelletaan roottorin analysointiin, ja jossa keskitytään erityisesti kutistusliitettyyn kompressoriin ja roottoridynamiikkaan. Tutkimus osoittaa kytketyn analyysin merkitystä suurnopeusroottoreiden tarkassa simuloinnissa, korostaen tarpeen huomioida sekä lämmöstä johtuvia kuormia että mekaanisia kuormia.

Menetelmänä käytetään tarkkaa FEM analyysiä ANSYS-ohjelmistolla. Kutistusliitos tarkastellaan kolmessa eri käyttöolosuhteessa: lepotilassa, nimellisnopeudella ja turvanopeudella. Tulokset todistavat, että sekä lämpölaajenemisella että mekaanisilla voimilla on vaikutus liitoksen luotettavuuteen. Molempien ilmiöiden huomioiminen mahdollistaa liitoksen kontaktialueelle tarkan mitoituksen, jotta voidaan välttyä liitoksen vaurioitumisesta tai avautumisesta. Lisäksi tutkimuksessa vertaillaan 3D FEM mallin ja palkkielementteihin perustuvan mallin välisiä eroja roottoridynamiikan analyysissä. Tällä pyritään selvittämään ero 3D FEM- ja palkkimallin välillä monimutkaisten järjestelmien ja niiden roottoridynamiikan simuloinnissa.

Tutkimustulokset korostavat kytketyn lämpömekaanisen analyysin tärkeyttä roottorin komponenttien turvallisessa ja optimaalisessa suunnittelussa ja erityisesti sellaisissa osissa, jotka ovat erittäin herkkä sekä lämpö- että mekaanisille kuormille. Tutkimus tarjoaa myös arvokkaita näkemyksiä kutistusliitosten ja roottoridynamiikan käyttäytymisestä.