The strength and dynamic analysis of the prototype of Tesla turbine

This article presents the strength and modal analysis of the rotor model of the Tesla micro-turbine. The calculations were made in order to verify the design of multi-disc turbine’s rotor before production process. Two commercial solvers were used independently, which are capable to deal with problems of solid state physics – Abaqus and Ansys Mechanical with Workbench software. The comparison of results from two applications aimed at checking solvers’ applicability in the present case. Preliminary analysis was carried out in Abaqus software. The calculations were performed assuming perfect bearing stiffness for different rotation speeds. A more detailed analysis was made in Ansys Mechanical software using structure analysis modules to determine the stresses in the structure which arise as a consequence of rotor’s rotational motion. Subsequently, it was followed up with modal analysis results. Additionally the parameters of selected bearings were determined and modal analysis took into account the stiffness corresponding to individual rolling bearings.

W niniejszej artykule przedstawiono wyniki analizy wytrzymałościowej i dynamicznej prototypu modelu wirnika mikroturbiny Tesli. Analizy zostały przeprowadzone w celu sprawdzenia i weryfikacji projektu wielodyskowego wirnika turbiny Tesli przed etapem produkcyjnym. Obliczenia zostały przeprowadzone niezależnie przy pomocy dwóch komercyjnych solwerów do analizy mechaniki ciała stałego - Abaqus oraz Ansys Mechanical w środowisku Workbench. Porównanie wyników z dwóch aplikacji ma na celu wzajemną weryfikację stosowalności solwerów do omawianego przypadku. Wstępna analiza została wykonana w programie Abaqus. Obliczenia zostały wykonane przy założeniu całkowitej sztywności łożysk i zadanej prędkości obrotowej. Dokładna analiza została wykonana w programie Ansys Mechanical w środowisku Workbench przy wykorzystaniu modułów do analizy strukturalnej w celu wyznaczenia wstępnego stanu naprężeń będącego konsekwencją ruchu obrotowego wirnika oraz modułu analizy modalnej. Dodatkowo wyznaczono parametry wstępnie dobranych łożysk i wykonano analizę modalną uwzględniającą sztywności właściwe dla zastosowanych typów poszczególnych łożysk tocznych.