Диссертация (Методика оценки влияния климатических условий и эрозионного износа на характеристики ТРДДФ), страница 6

Этапроцедура заключается в описании поверхности лопаточных венцов в видезадания координат (XYZ – декартовая система) линий, образующих поверхностьспинки и корыта всех лопаточных венцов компрессора. При этом также задаютсякоординаты (ZR – цилиндрическая система) границы проточной части (втулка,корпус).36Б) Построение расчетной геометрической модели.Этап построения расчетной геометрической модели заключается впредставлении геометрии компрессора в формате удобном для автоматическогопостроения расчетной сетки. Расчетная геометрическая модель, как правило,являетсясущественноупрощеннымвариантомреальногокомпрессора.Необходимость увеличения сложности расчетной геометрической модели (можетлишить возможности автоматического построения расчетной сетки) определяетсясодержанием этапа проектирования или задачами, которые ставит перед собойрасчетчик.В данной методике построение геометрических моделей осуществляетсяпутѐм создания текстовых файлов «*.geomturbo» для лопаточных венцовкомпрессора.Создание файлов типа «*.geomturbo» требует определенного порядка,начиная с постановки всех координат сечений отдельных лопаток и границпроточной части (втулка, периферия – Hub, Shroud) в определенной структуре ипоследовательности.

Порядок создания файлов «*.geomturbo» представлен вруководстве пользователя модуля «AutoGrid» [63]. Ниже на рисунке 2.2представлена структура файла «*.geomturbo».После первоначального создания файла лопатки (например, в видетекстового файла с разделителями табуляции) требуется изменение егорасширения на «*.geomturbo» и тогда, его загрузка возможна с помощью модуля«AutoGrid 4 и 5».Данный подход представления исходной геометрии через создание файлов«*.geomturbo»являетсяпростымиточнымспособомдляпостроениягеометрических моделей лопаток компрессоров, что обеспечивает высокуюточность моделирования.

В отличие от подходов представления исходнойгеометрии с помощью CAD программ, данный подход обеспечивает возможностьизменения геометрических параметров, например, для учета уровня эрозионногоизноса на лопатках компрессора и т.п.37Рисунок 2.2 – Структура файла «*.geomturbo»На рисунке 2.3 Представлена геометрическая модель лопаточных венцовмногоступенчатого осевого компрессора, построенная с помощью даннойметодики.Рисунок 2.3 – Геометрическая модель многоступенчатого осевого компрессора38В) Построение расчетной сетки.Это один из ключевых этапов, на котором определяется топологиярасчетной сетки, количество узлов, величина первой ячейки, качество сетки и т.д.Всеперечисленныепараметрысильновзаимосвязанысособенностями«решателя» и выбранной моделью турбулентности.

При построении сетокнемаловажной является абсолютная размерность расчетной сетки (количествоузлов), так как она (при неизменных настройках «решателя») определяетпотребное количество оперативной памяти компьютера и соответственно, уровеньвычислительной мощности ЭВМ и скорость получения результата.Построение расчетной сетки (области) для исследования течения втурбомашине в данной работе осуществляется в модуле «AutoGrid». Онпредназначен для создания качественных расчетных сеток для турбомашин всехосновных типов. Его особенностью является возможность построения расчетнойсетки для многовенцовых турбомашин (многоступенчатых компрессоров, турбини т.д.) в рамках одного проекта, а также высокий уровень качества создаваемыхсеток при минимальном участии пользователя [64].Вданнойработеприпостроениирасчетнойсеткиисследуемыхкомпрессоров, были использованы два типа топологии сетки – «HO» и «4HO»типа.

На рисунках 2.4 и 2.5 показаны примеры распределения ячеек на блоке РКна втулочном и периферийном сечениях при использовании данных топологиисетки.Рисунок 2.4 – Распределения ячеек на блоке РК с топологией «HO»: (а) – на втулочномсечении; (б) – на периферийном сечении39Рисунок 2.5 – Распределения ячеек на блоке РК с топологией «4HO»: (а) – на втулочномсечении; (б) – на периферийном сеченииГ) Настройка решателя + выполнение расчета.CFD-код или «решатель» - обычно под этим понятием подразумеваютзаконченный численный алгоритм, реализованный в программном коде доисполняемого модуля и предназначенный для решения уравнений Навье-Стокса вформеосредненийпоРейнольдсусзамыкающимуравнениеммоделитурбулентности.Отточностиописаниятурбулентныхявленийзависитадекватноеопределение отрыва пограничного слоя, потерь кинетической энергии в потоке,теплообмена и т.д.

В расчетных исследованиях, проведенных в данной работе,использовалась дифференциальная однопараметрическая модель турбулентностиСпаларта-Аллмараса (Spalart-Allmaras). При использовании данной модели нужнозадать значение турбулентной кинематической вязкости T на входе в расчетнуюобласть.Турбулентная вязкость представляется как [61]:T  vfv1 ,гдеvявляетсятурбулентнойдействующейпеременной и f v1 – функция, определяемая как:(2.1)(рабочей,функциональной)403f v1  3,  cv13(2.2)где  – соотношение между турбулентной функциональной переменной v имолекулярной вязкостью v ,v.(2.3)Турбулентная действующая функциональная переменная удовлетворяетусловиям уравнения переноса:v1 V  v    (  v )v   cb 2 (v )2  Q ,t(2.4)где V – вектор скорости;Q – исходный член;σ, cb 2 – константы.Способ определения исходного члена и константы подробно изложен вруководстве пользователя [61].Основными достоинствами данной модели турбулентности являютсявысокая устойчивость и скорость сходимости при численном интегрированииразличнымивычислительнымиметодами, атакжеприемлемаяточностьмоделирования явлений отрыва, ламинарно-турбулентного перехода.Настройка для расчета течения подразумевает выбор рабочего тела (воздух),модели турбулентности, численной схемы, способа взаимодействия (роторстатор), постановку начальных и граничных условий расчета и т.д.Расчет характеристик компрессора (при неизменной геометрии по режимамработы) осуществляется путем изменения граничных условий на выходе и настенках компрессора.

При неизмененной частоте вращения, изменяя (увеличиваяс заданным шагом до «развала» задачи) статическое давление на выходекомпрессора, получаем напорную ветку. Получение характеристики, т.е. наборанапорных веток, осуществляется изменением граничных условий (частотывращения) на вращающихся стенках (блоках) компрессора. Скорость проведения41расчета зависит от задачи исследования и располагаемых вычислительныхресурсов и может варьироваться от нескольких десятков минут до несколькихсуток и более.Д) Анализ результатов расчета.Завершающим этапом математического моделирования течений являетсяобработка и визуализация результатов расчета. Качественная реализация данногоэтапа позволяет на основе анализа картины течения и рассчитанных интегральныххарактеристик сделать выводы о достижении цели исследования или онеобходимости корректировки отдельных этапов численного моделирования.Анализ результатов расчета осуществляется путем:- интегральных параметров;- эпюр изменения параметров по сечениям;- векторов скоростей и т.п.;- картины течения распределения параметров в различных плоскостях и т.д.2.1.2 Верификация результатов расчета характеристик компрессоровС помощью данной методики проводилась серия расчетов характеристикотдельных лопаточных венцов, ступеней и многоступенчатых компрессоровсовременных двигателей.

В качестве примера представляем результаты расчетовхарактеристик ступени осевого компрессора (С-16) и компрессора низкогодавления двигателя РД33.Расчет характеристик ступени и компрессора был проведен при следующихусловиях:- рабочее тело − идеальный газ (воздух);- течение − стационарное;- модель течения – уравнения Навье-Стокса, осредненные по Рейнольдсу;- модель турбулентности – Spalart-Allmaras;- граничные условия на входе – равномерные поля полногодавления иполной температуры, соответствующие стандартным атмосферным условиям;42- граничное условие на выходе – задаваемое осреднѐнное статическоедавление;- общее количество узлов расчетной сетки – С-16: 1,3·106; КНД: 7,4·106.А) Расчет характеристик ступени осевого компрессора (С-16)СтупеньС-16являетсяосевойвысоконагруженнойкомпрессорнойступенью. Ниже на рисунках 2.6 и 2.7 показаны геометрическая модельпроточной части ступени и еѐ расчетная сетка, а в таблице 2.1 приведены еѐосновные проектные данные и некоторые геометрические параметры.Рисунок 2.6 – Геометрическая модель проточной части ступени С-16Рисунок 2.7 – Расчетная сетка ступени С-1643Таблица 2.1 – Основные данные ступени С-16Количество лопаток37 (РК) , 60 (НА)Частота вращения (n)20530 об/минОтносительный диаметр втулки на входе0,46Относительный диаметр втулки на выходе0,64Хорда на среднем радиусе рабочего колеса56,4 ммВысота лопатки рабочего колеса (средняя)97,5 ммРасход воздуха21,1 кг/сОкружная скорость конца лопатки430 м/с*1,88Степень повышения давления в ступени ( ст )Для оценки адекватности расчета характеристик осевых ступеней попредставленной методике был проведен расчет характеристики ступени С-16 срадиальным зазором 0,3 мм.

Результаты расчета, представлены на рисунках 2.8 и2.9 в сравнении с экспериментальными данными.Рисунок 2.8 – Сравнение *ст с экспериментальными даннымиРисунок 2.9 – Сравнение  с экспериментальными данными*ст44Как видно, результаты расчета в качественном отношении хорошосогласуются с результатами эксперимента: характер протекания напорных кривыхи кривых зависимости КПД ступени от приведенной окружной скорости ирасхода воздуха, их расположение по Gв.пр практически совпадают. Однакоэкспериментальные значения КПД ступени оказались заметно ниже расчетных,что возможно, связано с погрешностями эксперимента, так как полученные врасчете значения КПД вполне достижимы для ступени с такой нагруженностью итаким значением uк.пр . Во всяком случае, результаты расчета характеристикданной ступени, полученные с помощью программы NUMECA Fine/Turbo, можносчитать достоверными (со средней погрешностью 1,5…3%).Б) Расчет характеристики компрессора низкого давления двигателя РД33Данныйкомпрессорявляетсяосевым,нерегулируемым,четырѐхступенчатым.

Ниже на рисунках 2.10 и 2.11 соответственно, показаныгеометрическая модель проточной части компрессора и его расчетная сетка, а втаблице 2.2 приведены некоторые его основные расчетные данные.Рисунок 2.10 – Геометрическая модель проточной части КНД45Рисунок 2.11 – Расчетная сетка КНДТаблица 2.2 – Основные данные КНДСтепень повышения давления *к3,12Расход воздуха Gв.пр76,5 кг/сКоэффициент полезного действия *к0,82Относительный диаметр втулки I ступени0,435Относительный диаметр втулки IV ступени0,667Частота вращения ( nпр  100 % )11000 об/минОкружная скорость конца рабочей лопаткиI ступени425 м/сДля оценки адекватности расчетов характеристик многоступенчатых осевыхкомпрессоров по данной методике был проведен расчет характеристикикомпрессора низкого давления двигателя РД33 при радиальном зазоре 0,5 мм.Результаты расчета, представлены на рисунках 2.12 и 2.13 в сравнении сэкспериментальными данными.Приведенныерезультатырасчетапоказывают,чтонаблюдаетсякачественная сходимость характеристики компрессора с экспериментальнымиданными во всем диапазоне приведенных частот вращения со среднейпогрешностью 1…2,5%.46Рисунок 2.12 – Сравнение напорных кривых компрессора с экспериментальнымиданнымиРисунок 2.13 – Сравнение КПД компрессора с экспериментальными даннымиТаким образом, результаты расчетов характеристик ступени С-16 и КНДдвигателя РД33 свидетельствуют о том, что полученные с помощью даннойметодики результаты расчетов характеристик компрессоров можно считатьдостоверными, а сама методика применима для расчета характеристик любыхосевых компрессоров.472.2Исследование влияния радиального зазора на характеристики осевогокомпрессораКак было установлено в первой главе, увеличение радиального зазораявляется одним из основных последствий эрозионного износа.