Si alguna vez te has sentido frustrado mientras miras un pequeño molinillo mientras una computadora termina una tarea, intente esperar seis semanas.

Esa es la situación en la que los ingenieros aeronáuticos se encuentran a menudo al diseñar una nueva turbina. Con múltiples aspas del ventilador que giran miles de veces por minuto y los flujos de aire se mueven más rápido que la velocidad del sonido, Modelar con precisión la compleja máquina es un desafío abrumador.

Prácticamente todos los aviones comerciales utilizan motores de turbina y el 90 por ciento de la electricidad mundial es producida por turbinas. A principios de la década de 1990, los principales fabricantes de turbinas del mundo, La Fuerza Aérea de los Estados Unidos y la NASA se unieron con expertos académicos y una empresa de software para formar el Consorcio GUIde para abordar los "grandes desafíos" en la aeromecánica de turbomáquinas. Ahora en su sexta iteración, el programa trabaja para reducir el tiempo que el molinillo gira de semanas a días, al mismo tiempo que aumenta la precisión de la simulación.

"El Consorcio GUIde financia la investigación precompetitiva para satisfacer las necesidades de los métodos de diseño de sus miembros, "dijo Robert Kielb, director del Consorcio GUIde y profesor de práctica de ingeniería mecánica y ciencia de materiales en la Universidad de Duke, que se ha desempeñado como la institución líder del programa desde 2008. "Durante los últimos seis años, nos hemos centrado en la respuesta forzada de un compresor integrado, que dicta cómo las ondas de presión interactuantes fuerzan a vibrar las aspas del ventilador de un turborreactor ".

Estas vibraciones son tanto una cuestión de seguridad como de costes. Si las cuchillas vibran demasiado, pueden dañarse con el tiempo y requerir un mantenimiento costoso. O peor, pueden romperse y causar fallas en el motor.

Cada una de las empresas de ingeniería de turborreactores tiene su propio software interno para diseñar nuevos motores, pero confían en la investigación realizada por el Consorcio GUIde para asegurarse de que su software sea preciso. También compran paquetes y programas de ANSYS, la única empresa de software del Consorcio GUIde, que trabaja con los investigadores del grupo para probar y mejorar sus productos.

En el año pasado, Los investigadores de Duke dirigidos por Shreyas Hegde, un doctorado estudiante en el laboratorio de Kielb, Abordó varias preguntas clave en el software de modelado producido por ANSYS.

"Los modelos de la industria suelen hacer un análisis completo de 360 ​​grados para averiguar cómo cada fila de aspas del ventilador hará vibrar a sus vecinos, ", dijo Hegde." Estamos tratando de ayudar a simplificar estas simulaciones sin perder precisión en los resultados ".

Un turborreactor consta de filas de álabes que alternan entre "estatores" estacionarios y "rotores" giratorios. Aunque un motor grande tiene varios juegos de cada uno, Las simulaciones utilizadas en la etapa de diseño generalmente solo modelan un rotor intercalado entre dos estatores.

En un estudio reciente, Kielb, Hegde y sus colegas buscaron ver qué efectos tiene en la simulación agregar otro rotor aguas abajo. Descubrieron que las ondas de presión que atraviesan el sistema a menudo se reflejan en esta etapa y afectan la vibración de las aspas del ventilador que se encuentran anteriormente en el motor.

"Esa no es la mejor noticia para las empresas que diseñan turborreactores, porque cuanto más complicado se vuelve el modelo, cuanto más largos y difíciles de interpretar los resultados, ", dijo Kielb." Pero si no incluyes ese rotor adicional, podría rechazar un diseño a pesar de que los efectos de interacción de ese rotor reducirían la vibración forzada lo suficiente como para que funcione bien. O puede pasar lo contrario, donde agregar el rotor al análisis muestra que la amplitud de vibración será realmente mayor ".

Las simulaciones son más fáciles de completar si cada uno de los rotores y estatores tiene varias aspas de ventilador con un denominador común. Por ejemplo, Si la simulación estándar de estator-rotor-estator descrita anteriormente contuviera aspas de ventilador numeradas 44-33-44 (el denominador común es 11), podría simplificarse a solo 4-3-4, pero aún así sea perfectamente exacto.

En modelos no uniformes, uno de estos números está ligeramente desviado. En este ejemplo, el número de aspas del ventilador puede cambiar a 44-33-48. Incluso pequeñas diferencias como esta han sido durante mucho tiempo una espina en el costado de la industria al intentar simular el rendimiento de un diseño.

En otro cambio reciente al software, ANSYS hizo posible completar simulaciones abreviadas de estos modelos no uniformes, y se volvió hacia Duke para comprobar su trabajo.

"Creamos un modelo completo de 360 ​​grados que incluía todas las complejidades que se pudieran imaginar, ", dijo Kielb." Eso produjo una representación más precisa de las capacidades y limitaciones del nuevo software ANSYS ".

El grupo está descubriendo que en la mayoría de los casos el software ANSYS funciona bien, pero en algunos casos, no funciona muy bien, y las empresas necesitan saber qué casos son cuáles.

Y ANSYS también. Gracias al trabajo realizado en Duke, la empresa de software puede descubrir problemas con sus métodos y solucionarlos, lo que ayuda a toda la industria de las turbinas.

"El Consorcio GUIde ha estado funcionando durante la mayor parte de dos décadas, y resultó ser un arreglo realmente beneficioso para todos los involucrados, ", dijo Kielb." Vamos a pasar otros dos años haciendo que estas simulaciones de vibración forzada funcionen tan bien como podamos, y luego el consorcio pasará a otros desafíos ".