Разработка методики определения потерь энергии в решетках профилей осевых турбин на основе численного моделирования и анализа эмпирических данных.

Актуальность диссертационного исследования Одним из наиболее важных параметров, влияющих на газодинамическую эффективность турбины, являются потери энергии в лопаточных венцах, а их уменьшение является основным резервом для повышения КПД турбин. Точное прогнозирование потерь энергии на этапе проектирования и доводки значительно сокращает временные затраты на создание конкурентоспособной турбомашины. На сегодняшний день существует множество различных методик определения потерь энергии в турбинных решетках профилей, отличающихся количеством и комбинацией геометрических и режимных параметров. Эмпирические модели, как правило, применяются на первом этапе создания турбомашины, когда требуется оценить эффективность лопаточных венцов по общим геометрическим параметрам на определенных режимах течения. Наибольшее число влияющих факторов, по мнению автора, учтено в эмпирической методике В.Д. Венедиктова, в которой проведено обобщение экспериментальных данных по профильным потерям в широком диапазоне скоростей потока для большого количества различных решеток профилей. В современной инженерной практике для оценки газодинамической эффективности турбомашин используется численное моделирование (CFD анализ) турбулентных течений вязкой среды, основанное на решении осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса (модели RANS). Данный подход позволяет получить достаточно полную картину турбулентного течения в межлопаточном канале и спрогнозировать газодинамическую эффективность, как отдельной решетки профилей, так и проточной части в целом. Однако, как показывает практика, полученные потери энергии существенно зависят от выбранной модели турбулентности, причем отличие может достигать 100 %. Так же на результат оказывает влияние форма конечных объемов расчетной сетки и ее густота. Сохраняется неопределенность в оценке интегральных потерь, связанная с не точным моделированием эффектов диссипации энергии в моделях RANS. Несмотря на интенсивное развитие средств и методов проектирования современных турбин, достоверное определение газодинамической эффективности лопаточных венцов попрежнему остается актуальной задачей. Выборочное стандартное относительное отклонение расчетных потерь от экспериментальных в определенной области геометрических и режимных параметров достигает 20 % и более. В различных публикациях по расчету обтекания решеток профилей описывается детально характер распределения параметров по стенкам профиля. Во многих работах по численному моделированию течения в межлопаточных каналах турбин демонстрируется хорошее совпадение результатов расчета с экспериментальными данными. Однако, в открытых литературных источниках практически отсутствуют статистически значимые данные уровня отклонений расчетных значений потерь энергии от экспериментальных для турбинных решеток в широком диапазоне геометрических характеристик и режимов обтекания. В связи с тем, что основой создания лопатки турбины является детальное профилирование отдельных сечений, объектом исследования выбраны решетки профилей. В нашей стране, в частности в ЦИАМ накоплен большой объём экспериментальных данных по аэродинамическим характеристикам плоских решеток профилей различной геометрии в широком диапазоне режимов течения. Необходимо отметить, что технологически процессы продувок плоских решеток профилей и трехмерных кольцевых решеток схожи. Однако доступно относительно небольшое количество экспериментальной информации по кольцевым решеткам ввиду трудоемкости выполнения соответствующих исследований.
Цель и задачи исследования Цель диссертационной работы – разработка методики определения потерь кинетической энергии в решетках профилей осевых турбин на основе численного моделирования турбулентного течения вязкой среды и создание эмпирической модели согласования расчета с экспериментом. Для достижения цели необходимо решение следующих задач: 1. Анализ распространенных эмпирических моделей потерь энергии, используемых для оценки газодинамической эффективности лопаточных венцов газовых турбин в автомодельной области. 2. Оценка влияния параметров расчетной сетки на структуру течения и степень точности прогнозирования потерь энергии при численном моделировании обтекания решеток профилей. 3. Выполнение сравнительного анализа моделей турбулентности, используемых при моделировании течений в турбомашинах. 4. Анализ результатов численного моделирования течения в решетках профилей при различных углах натекания. 5. Анализ результатов численного моделирования течения в условиях трансзвукового обтекания решеток профилей. 6. Проведение статистической оценки погрешности определения потерь энергии на основе величины выборочного стандартного отклонения расчетных потерь энергии от экспериментальных в широком диапазоне геометрических параметров решеток и режимов обтекания. 7. Разработка методики расчетной оценки потерь энергии в турбинных решетках профилей на основании анализа расчетных исследований и экспериментальных данных.
Научная новизна исследования 1. Выполнен CFD анализ десяти решеток профилей различного геометрического класса с использованием шести моделей турбулентности (Spalart-Allmaras, k-ε realizable, k-𝜔 SST, Transition k-kl-𝜔, Transition SST, Reynolds stress) для приведенной скорости на выходе из решетки от 0,35 до 1,45. Впервые для данной базы решеток и моделей турбулентности в рамках указанного диапазона скоростей определено выборочное стандартное относительное отклонение расчетных значений потерь энергии от экспериментальных данных. 2. Разработана новая методика оценки потерь энергии на основе численного моделирования турбулентного течения вязкой среды и создана эмпирическая модель согласования расчета с экспериментом. Определена корректирующая функция, включающая геометрические и режимные параметры решеток профилей и учитывающая особенности течения в межлопаточном канале (всего 14 параметров). Применение разработанной методики для анализируемой базы решеток профилей обеспечило снижение относительной погрешности определения потерь энергии в два раза по сравнению с результатами CFD анализа, полученными при использовании модели турбулентности Reynolds stress.
Практическая значимость исследования Предложенная методика определения потерь энергии в сопловых и рабочих решетках турбинных профилей обеспечивает повышение достоверности оценки газодинамической эффективности лопаточных венцов. Выявлены положительные и отрицательные стороны распространенного метода определения потерь энергии на основе CFD анализа. Сформулированы обоснованные рекомендации по выбору параметров расчетной модели, обеспечивающие минимизацию отклонения расчетных потерь, полученных в результате CFD анализа, от эксперимента. Представленные результаты статистического анализа отклонения расчетных значений потерь энергии от экспериментальных данных могут быть использованы для коррекции расчетных значений потерь, определенных в результате CFD анализа.
Методом исследования является сравнительный статистический анализ расчетного и экспериментального определения потерь энергии в межлопаточных каналах. Расчет потерь выполняется с использованием результатов CFD анализа и статистической эмпирической модели. CFD анализ выполняется с использованием модели осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса. Рассматриваются шесть различных моделей турбулентности. Геометрическое моделирование решеток профилей осуществляется в системе ANSYS Design Modeler. Для построения сеточной модели используется модуль ANSYS Mesh. Расчёты турбулентного течения вязкой среды в решетках профилей осевых турбин проводятся в программном комплексе ANSYS FLUENT. В качестве основной экспериментальной базы данных используется атлас экспериментальных характеристик плоских решеток охлаждаемых газовых турбин ЦИАМ. Для построения эмпирической поправочной модели применяется метод многопараметрического регрессионного анализа.
Основные положения, выносимые на защиту На защиту выносятся: - результаты CFD анализа турбулентного вязкого течения в турбинных решетках профилей с рекомендуемыми параметрами расчетной модели; - методика определения потерь энергии в решетках турбинных профилей, сочетающая применение результатов CFD расчета и эмпирической корректирующей модели; - корректирующая эмпирическая модель, обеспечивающая повышение точности расчетных значений потерь энергии в решетках профилей, полученных по данным CFD анализа.
Достоверность полученных результатов подтверждается: 1. применением широко используемой в настоящее время в инженерной практике модели RANS для анализа течения в турбинных решетках профилей; 2. использованием широко апробированного инженерного программного комплекса ANSYS, сертифицированного во многих крупнейших организациях машиностроительной отрасли, реализующего процесс численного моделирования турбулентного течения вязкой среды в рамках RANS модели; 3. проверкой сеточной сходимости численного метода, при анализе шести вариантов наиболее распространенных моделей турбулентности с использованием рекомендуемых значений эмпирических констант; 4. результатами продувок плоских турбинных решеток профилей, опубликованными в технической литературе, общепризнанными и широко применяемыми в практике отечественного и зарубежного турбостроения.
Апробация результатов Основные результаты работы были представлены на следующих конференциях: всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы морской энергетики», СПбГМТУ, 2014 - 2020 гг; LXI научно-техническая сессия по проблемам газовых турбин на тему «Научные и практические проблемы использования достижений авиадвигателестроения в наземных ГТУ» г. Пермь, сентябрь 2014г.; научно-практический семинар «Проблемы авиационного двигателестроения» ЦИАМ, 2015г. По теме диссертации опубликовано 8 работ, из них 3 научных статьи в журналах из перечня ВАК.
Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из Введения, четырех глав, Заключения, Списка литературы, включающего 81 наименование. Объем работы 116 стр., содержит 125 рисунков и 8 таблиц