The accurate prediction of dynamic characteristics of high speed rotors, such as gas turbines, is important to avoid the possibility of operating the machinery near the critical speeds or unstable speed regions. However, the dynamic analysis methods and softwares for gas turbines have been developed in the process of producing many gas turbines by manufacturers and most of them have seldom been disclosed to the public. Recently, commercial FEM softwares, such as SAMCEF, ANSYS and NASTRAN, started supporting some rotordynamics analysis modules based on 3-D finite elements.
In this paper, the dynamic analysis method using commercial S/W, especially ANSYS, is attempted for the small-size gas turbine engine rotor, and the analysis capability and limitations of its rotordyamics module are evaluated for further improvement of the module.
As the preliminary procedure, the rotordyamic analysis capability of ANSYS was tested and evaluated with the reference models of the well-known dynamics. The limitations in application of the rotordynamics module were then indentified and discussed for improvement.
Under the current capability and limitations of ANSYS, it is shown that Lee diagram, a new frequency-speed diagram enhanced with the concept of $H_\infty$ in rotating machinery, can be indirectly obtained from FRFs computed from harmonic response analysis of ANSYS.
Finally, it is demonstrated based on the modeling and analysis method developed in the process of the S/W verification that conventional Campbell diagram, Lee diagram, mode shapes and critical speeds of the small-size gas turbine engine rotor can be computed using the ANSYS rotordynamics module.
가스터빈과 같은 고속 회전체의 동적 특성을 정확히 예측하는 것은 회전기계가 위험속도나 불안정 운전속도 영역 인근에서 운전될 수 있는 가능성을 피하기 위해 중요하다. 그러나 가스터빈에 대한 동적 해석 방법과 소프트웨어는 가스터빈 제작사가 많은 가스터빈을 생산하는 과정에서 개발되어왔기 때문에 일반인에게 공개되지 않고 있다. 최근 SAMCEF, ANSYS, NASTRAN과 같은 상용 유한요소해석 소프트웨어에서 3차원 유한요소를 사용할 수 있는 회전체 해석 모듈을 지원하기 시작하였다. 이 논문에서는 상용 소프트웨어 중 ANSYS을 이용하여 소형 가스터빈엔진 회전체의 동적 해석을 실시하였고, ANSYS 회전체 해석 모듈의 개선점을 알아 보기 위해 그 해석 능력과 한계를 확인하였다.
사전과정으로써 이미 동적 해석 결과가 알려진 기준 모형을 ANSYS의 회전체 해석 모듈을 통해 해석하고 그 결과를 비교하였고, 이를 통해 이 모듈의 한계를 파악하였다.
또한 ANSYS의 조화응답해석을 이용하여 구한 주파수응답함수를 활용하여, 회전기계에 $H_\infty$ 개념을 적용하여 향상된 새로운 주파수-속도 선도인 Lee 선도를 간접적으로 구할 수 있음을 보였다.
결론적으로 ANSYS의 회전체 해석 모듈의 해석 능력 검증과정에서 개발된 모형화 및 해석 방법을 기반으로 하여 실제 소형가스터빈엔진 회전체의 Campbell 선도, Lee 선도, 모드 형상 및 위험속도를 ANSYS의 회전체 해석 모듈을 통해 산출할 수 있음을 보였다.
