Augmenter la complexité : concevoir des turbomachines à rendement élevé

Quand avez-vous réfléchi pour la dernière fois à la façon dont l’énergie était exploitée? La transformation de l’énergie alimente la vie moderne. Il nous suffit de brancher nos appareils et nos dispositifs, de faire le plein de nos voitures et d’allumer nos systèmes de chauffage et de climatisation sans nous préoccuper de l’ingénierie et de la physique complexes derrière ces commodités.

Au cœur de la production d’électricité se trouve une turbine à gaz. Ces turbomachines sont les bêtes de somme du réseau énergétique et de l’industrie du transport. Elles transforment l’énergie d’une forme à une autre, convertissant l’énergie du carburant en énergie mécanique et en énergie électrique.

Les turbomachines transfèrent l’énergie entre un rotor et un fluide. Cela peut sembler simple, mais il s’agit de systèmes multiphysiques complexes. Quel que soit le secteur d’activité, le processus de développement pluridisciplinaire fait appel à de nombreux experts au sein d’équipes d’ingénieurs spécialisés dans une discipline donnée qui gèrent de grandes quantités de données dans le cadre de procédures collaboratives.

L’ingénierie du rendement des turbomachines avec Simcenter 3D

Cette série d’articles porte sur l’ingénierie du rendement thermomécanique nécessaire pour garantir que les systèmes et les composants restent sécuritaires et atteignent les meilleurs rendements possibles, même sous des contraintes et des températures élevées. Nous examinons également comment faire en sorte que le processus de conception et de développement soit aussi transparent, collaboratif et efficace que possible afin de réduire les erreurs, les coûts et le temps de développement.

Une approche en silo de ce processus complexe de développement et d’itération de la conception exige que les équipes gèrent plusieurs outils et transfèrent de grandes quantités de données, ce qui crée un risque d’erreur. Simcenter 3D offre un environnement intégré pour analyser les simulations thermomécaniques à l’aide d’outils dédiés et une physique couplée. Les ingénieurs peuvent transférer les données de manière transparente entre les solveurs et obtenir rapidement un aperçu du rendement de la conception.

Simcenter 3D aide les fabricants de turbomachines à apprivoiser la complexité des concepts de ces pièces et à relever les principaux défis qu’ils présentent :

  • La création d’un modèle détaillé de turbomachine
  • La simulation de missions
  • La modélisation de la physique
  • La répartition de la charge de travail
  • Le post-traitement des résultats

Nous commencerons cette série en étudiant comment nous pouvons créer un modèle détaillé de turbomachine.

La création d’un modèle détaillé de turbomachine

Simcenter 3D offre tous les outils de géométrie, de maillage et d’attribution de propriétés nécessaires pour créer rapidement et avec précision un modèle thermomécanique combinant le 2D et le 3D.

Plutôt que de diviser l’analyse de la turbomachine en différents groupes, puis en sous-assemblages, nous extrayons les sous-assemblages d’une CAO 3D complète, ce qui garantit une association complète. Toute modification de la conception est automatiquement reflétée dans la géométrie utilisée pour l’analyse.

La géométrie extraite de la CAO 3D est un modèle mixte. Une partie de l’assemblage est représentée par des corps 2D, tandis que d’autres sont modélisés par des corps 3D.

Cette vidéo montre comment nous avons créé le modèle d’une turbomachine.



Commencez par créer une analyse par éléments finis et une simulation. Vous pourrez les utiliser pour effectuer une analyse couplée structurelle et thermique à l’aide du solveur Simcenter 3D pour les simulations multiphysiques.

  • Étant donné qu’une partie du modèle est axisymétrique, n’oubliez pas de sélectionner l’option 2D Solid.
  • Modifiez l’analyse par éléments finis pour créer un système de coordonnées cycliques. Cela servira plus tard dans le processus de modélisation.
  • Connectez la pale à la grille monobloc avec des arêtes partagées. Cela vous permettra de créer un maillage conforme entre les deux corps.
  • Inspectez les arêtes partagées et corrigez toute division inutile des arêtes.

Commencez le processus de maillage.

  • Affinez le maillage au niveau des joints labyrinthes.
  • Créez un collecteur de maillage pour mailler la partie asymétrique du rotor avec la grille monobloc.
  • Créez un deuxième collecteur de maillage pour mailler les pales du rotor avec les éléments quadrilatéraux paraboliques à contrainte plane.
  • Définissez le nombre d’instances pour représenter le nombre de pales.
  • Créez un maillage pour le trou de la grille monobloc; spécifiez le nombre de trous et la ligne centrale.
  • Créez un maillage pour le boulon; définissez la ligne centrale.

Une fois le maillage terminé, examinez le modèle thermomécanique combinant le 2D et le 3D.

Dans la deuxième partie, nous verrons comment définir des missions paramétrées dans Simcenter 3D et comment modéliser le comportement thermomécanique en tenant compte du transfert de chaleur, des charges structurelles et des interactions entre les éléments physiques.

Êtes-vous prêt à explorer les avantages de Simcenter 3D?

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