Realizarea turbomotoarelor de aviație în secolul XXI se bazează în mare pe dezvoltarea asistată de calculator. Practic, influența calculatorului merge până la manevrarea maşinilor ce realizează piesele componente ale turbomotoarelor.

Dacă înainte de perfecționarea calculatoarelor și a programelor testarea experimentală era singura metodă de dezvoltare a unui turbomotor, acum programele numerice permit dezvoltarea / optimizarea unui turbomotor într‑un timp mult mai scurt şi mai puţin costisitor. Desigur, inclusiv în prezent, ultima etapă în dezvoltarea unui turbomotor rămâne testarea experimentală, dar această ultimă etapă validează în mare parte rezultatele numerice, acest proces însemnând compararea rezultatelor numerice cu cele experimentale în anumite puncte stabilite prin procedura de experimentare.

comoti-turbomotoare-stiinta-tehnica-2
Simularea unui micro-turbomotor

Institutul Naţional de Cercetare Dezvoltare Turbomotare COMOTI dezvoltă, în prezent, pe diferite programe de cercetare, naţionale şi europene, patru turbomotoare, unul de frontieră, motorul pulso-reactiv cu detonație, un microturbomotor pentru aplicaţii aeriene şi două turbomotoare pentru aplicaţii terestre, unul pentru microcogenerare şi unul pentru cogenerare.

Ultimele două se adresează pieţei româneşti de producere a energiei, având în vedere că unităţile existente pe piaţa noastră sunt, în momentul de față, supradimensionate, deoarece nevoile de energie electrică ale industriei româneşti sunt mult mai mici, comparativ cu perioada în care acestea au fost realizate. Fiecare dintre aceste turbomotoare trebuie să fie cel puţin la fel de bun, dacă nu mai bun, că ceea ce exista pe piaţă.

Toate programele de dezvoltare a turbomotoarelor au ca principal obiectiv creşterea randamentului, pentru atingerea acestei ţinte utilizându-se soluţii inovative, implementarea acestora necesitând ample eforturi în domeniul cercetării fundamentale şi aplicative.

De exemplu, la motorul pulso-reactiv este importantă frecvenţa cu care se realizează detonaţia în camera de ardere şi presiunea, ceea ce influenţează designul compresorului şi al ajutajului de reacţie, deoarece în acest pulso-reactor nu avem turbină. Astfel, simularea procesului de detonaţie devine foarte importantă datorită faptului că nu îţi poţi permite să faci experimentări cu hidrogen până obţii frecvenţa potrivită şi astfel simularea numerică îţi permite identificarea regimurilor în care pulso reactorul să funcţioneze stabil.

De asemenea, la micro-turbomotor este foarte important gabaritul, diametrul rotorului de compresor şi de turbină au rol foarte important în stabilirea diametrului microturbomotorului, iar programele de simulare numerică permit optimizarea mărimii diametrului exterior al celor două. Totodată, pentru turbomotoarele ce sunt folosite în aplicaţii de cogenerare este foarte importantă temperatura gazelor arse şi puterea ce o dezvoltă turbina, acestea două fiind responsabile pentru producerea de energie electrică şi de abur industrial.

comoti-turbomotoare-stiinta-tehnica-3
Vizulalizarea structurilor turbulente

Fiecare din aceste turbomotoare trece prin etapa de dezvoltare numerică, atât din punct de vedere al performanţelor, cât şi din punct de vedere constructiv. Această etapă ţine cont de cerinţele de proiectare, îmbunătăţeşte performanţele şi reduce gabaritul turbomotoarelor.

O altă aplicație a acestor programe numerice este identificarea problemelor la anumite instalaţii existente. De exemplu Comoti a participat la optimizarea aeroacustică a unui ejector folosit pentru instalaţia de aer condiţionat ce echipează avioanele AIRBUS, asfel cerinţa a fost reducerea zgomotului produs de ejectorul existent.

Studiul a avut două etape: una numerică şi una experimentală. În etapa numerică au fost testate nu mai puţin de zece configuraţii de ejectoare, pornind de la geometria iniţială, pentru a determina cele mai bune două, pentru a fi testate experimental, deoarece testarea tuturor configuraţilor ar fi fost foarte costisitoare din punct de vedere financiar, iar bugetul nu permitea. Optimizarea a fost de un real success, experimentarea practic validând rezultatele numerice.

Un alt exemplu de optimizare numerică este cel al îmbunătăţirii unor instalaţii ce asigură aer comprimat pentru exploatarea câmpurilor petroliere. Aici, practic, s-a schimbat inima maşinii, şi anume rotorii centrifugali şi părţile statorice pentru a reduce consumul de energie păstrând restul instalaţiei intactă. Testele experimentale realizate la beneficiar au arătat încă o dată eficacitatea acestor programe.

Toate aceste exemple dovedesc performanţa la care s-a ajuns în secolul XXI în domeniul aplicaţiilor informatice dedicate simulării numerice. Aceste programe au şi discrepanţe generate de metoda numerică, precum şi erori generate de complexitatea instalaţiei, condiţiile la limită sau metoda în care se face discretizarea domeniului de calcul, dar acestea sunt cuantificabile şi, în funcţie de experienţa inginerilor ce folosesc aceste programe şi datele experimentale la care au acces, se poate ţine cont de acestea când se analizează rezultatele obţinute în urma simulării numerice.

comoti-turbomotoare-stiinta-tehnica-5
Geometria discretizată a unui rotor și geometria reală

Am menţionat mai sus discretizarea domeniului de calcul, aceasta este o etapă foarte importantă în simularea numerică, practic reprezintă transpunerea turbomotorului / instalaţiei din spaţiul real în spaţiul virtual şi este foarte important ca acest lucru să fie făcut corect, altfel apar tot felul de erori şi rezultatele pot fi viciate. Deşi sensibil mai puţin costisitoare decât studiile experimentale, folosirea acestor programe de calcul necesită, şi ea, resurse financiare însemnate.

În primul rând este resursa umană, cel mai important la o simulare numerică fiind interpretarea rezultatelor. Sunt cazuri în care s-au facut simulări numerice pentru că în urma experimentărilor nu a putut fi identificată problema. Deasemenea necesită resurse hardware însemnate pentru a putea simula numeric de exemplu întreg turbomotorul sau, mai complex, un întreg parc de turbine eoliene, pentru determinarea interferenţelor.

Ca să vă faceţi o idee, simularea numerică a unui turbomotor poate ajunge uşor la 30 de milioane de noduri, ceea ce se transpune în aproximativ 100 de procesoare, pentru că, dacă nu ai resursa hardware şi încerci simularea numerică pe mai puţine procesoare, atunci timpul necesar simulării creşte semnificativ, iar obţinerea rezultatelor va dura prea mult timp. În plus, preţul unui astfel de program duce la sute de mii de euro, acesta variind în funcţie de numărul de procesoare pe care vrei să îl ai la dispoziție.

În concluzie, este foarte important ca atunci când începi achiziţionarea unui astfel de sistem de simulare numerică să fii sigur că vei avea proiecte care să necesite resursele de calcul cumpărate, altfel nu se va putea susţine investiţia.