Transcript для анализа рабочего процесса турбокомпрессоров

Проф. Ю.Б. Галёркин,
доц. Ю.В. Кожухов,
каф. КВХТ СПбГПУ
Опыт использования программ
вычислительной газодинамики (CFD)
для анализа рабочего процесса
турбокомпрессоров
Доклад на 15 Международной научно-технической конференции по
компрессоростроению.
июль 2011 г.,
г. Казань.
1
Проф. Ю.Б. Галёркин, доц. Ю.В. Кожухов
Опыт использования программ вычислительной
газодинамики (CFD) для анализа рабочего процесса
турбокомпрессоров
С момента появления коммерческих программ в 1980-е гг., по
инициативе проф. К.П. Селезнева начаты расчетные исследования в
сотрудничестве с Ганноверским университетом (Германия), позже – с
Дрезденским университетом, затем с ТУ г. Гданьск (Польша). В новом
столетии в СПбГПУ появились собственные вычислительные центры и
лицензионные программы (руководители проф. Н.Н.Шабров, А.И. Боровков,
Ю.Я. Болдырев). Это позволило приступить к регулярным расчетным
исследованиям. Продолжено и международное сотрудничество (ТУ Лодзь,
Польша).
В 2006 г. группой магистров кафедры КВХТ выполнен анализ
течения в лопаточных и безлопаточных диффузорах, поворотном колене и в
лопаточной части обратно - направляющего аппарата. Представленная
совместная работа магистров Д.Гамбургера, Н.Лозовой и А.Софроновой
была удостоена премии и медалей Академии Наук РФ. Защищены
диссертации. частично или полностью базирующиеся на CFD-технологиях
(Л.Козаченко, К.Солдатова, Д.Гамбургер). Сейчас в этом направлении
работает большая группа студентов и магистров.
2
Проф. Ю.Б. Галёркин, доц. Ю.В. Кожухов
Опыт использования программ вычислительной
газодинамики (CFD) для анализа рабочего процесса
турбокомпрессоров
Поле скоростей и линии тока в лопаточном диффузоре. Расчетный режим, м.т. SST
3
Проф. Ю.Б. Галёркин, доц. Ю.В. Кожухов
Опыт использования программ вычислительной
газодинамики (CFD) для анализа рабочего процесса
турбокомпрессоров
БЛД – ПК. Векторы скорости
RS / b4  0,507
  12,55
4
Проф. Ю.Б. Галёркин, доц. Ю.В. Кожухов
Опыт использования программ вычислительной
газодинамики (CFD) для анализа рабочего процесса
турбокомпрессоров
Поле скоростей и линии тока в лопаточном аппарате ОНА
на расчетном режиме
5
Проф. Ю.Б. Галёркин, доц. Ю.В. Кожухов
Опыт использования программ вычислительной
газодинамики (CFD) для анализа рабочего процесса
турбокомпрессоров
Моделирование CFD (Fluent и CFX, К. Солдатова, 2007) течения газа в зазоре между
покрывающим диском РК и корпусом и в лабиринтном уплотнении покрывающего диска.
Сопоставление с данными экспериментов показало хорошие результаты, что делает актуальным
применение пакетов CFD для решения проектно-исследовательских задач применительно к этим
объектам.
Движение газа в зазоре между покрывающим диском РК и корпусом (слева)
и в лабиринтном уплотнении покрывающего диска
6
Проф. Ю.Б. Галёркин, доц. Ю.В. Кожухов
Опыт использования программ вычислительной
газодинамики (CFD) для анализа рабочего процесса
турбокомпрессоров
Анализ течения в ступени РК+БЛД+ОНА (Д.гамбургер, 2009) Предложены
рекомендации по методике расчетов, при которых результаты расчетов соответствовали
результатам испытаний в наибольшей степени.
Пространственная геометрическая модель центробежной ступени промежуточного типа
7
Проф. Ю.Б. Галёркин, доц. Ю.В. Кожухов
Опыт использования программ вычислительной
газодинамики (CFD) для анализа рабочего процесса
турбокомпрессоров
Анализ физической картины течения показал хорошее соответствие данным
испытаний.
1,0
w/u2
a)
1,0
б)
w/u2
1,0
0,9
0,9
0,9
0,8
0,8
0,8
0,7
0,7
0,7
0,6
0,6
0,6
0,5
0,5
0,5
0,4
0,4
0,4
0,3
0,3
0,3
0,2
0,1
0,0
0,50
0,60
ANSYS CFX
0,2
Эксперимент
0,1
0,70
0,80
0,90
1,00
0,0
0,50
0,60
ANSYS CFX
0,2
Эксперимент
0,1
0,70
0,80
0,90
1,00
в)
w/u2
0,0
0,50
ANSYS CFX
Эксперимент
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
Диаграммы поверхностных скоростей на лопатках РК типа 085/065 на расчетном
режиме (ФРАСЧ = 0,085) на расстоянии от основного диска (В. Митроофанов, Д. Гамбургер):
а) b/br = 0,03;
б) b/br = 0,50;
в) b/br = 0,97.
8
Проф. Ю.Б. Галёркин, доц. Ю.В. Кожухов
Опыт использования программ вычислительной
газодинамики (CFD) для анализа рабочего процесса
турбокомпрессоров
Картина течения в рабочем колесе на предпомпажном режиме
Линии тока на средней по высоте лопатки поверхности тока РК промежуточной ступени.

расч
9
Проф. Ю.Б. Галёркин, доц. Ю.В. Кожухов
Опыт использования программ вычислительной
газодинамики (CFD) для анализа рабочего процесса
турбокомпрессоров
Сопоставление рассчитанных и экспериментальных газодинамических характеристик
промежуточной центробежной ступени с БЛД
Расчеты с хорошей точностью определили КПД и диапазон работы ступени.
Рассчитанный коэффициент теоретического напора близок к измеренному на предпомпажном
режиме, но заметно отличается при больших расходах. В целом результаты показали, что при
надлежащем выборе методики (вид и количество ячеек расчетной сетки, модель турбулентности,
граничные условия, переход из вращающейся в неподвижную систему координат) физическая
картина течения и суммарные характеристики в основном соответствуют результатам физических
10
экспериментов.
Проф. Ю.Б. Галёркин, доц. Ю.В. Кожухов
Опыт использования программ вычислительной
газодинамики (CFD) для анализа рабочего процесса
турбокомпрессоров
Впервые в практике кафедры КВХТ объектами детального изучения стали
ступени осевых компрессоров.
Трёхмерная модель ступени осевого компрессора РК+НА
11
Проф. Ю.Б. Галёркин, доц. Ю.В. Кожухов
Опыт использования программ вычислительной
газодинамики (CFD) для анализа рабочего процесса
турбокомпрессоров
Ступени спроектированы по программе ОДОС-ГП04 кафедры КВХТ.
Картина пространственного течения в ступени с удлинением лопаток примерно 2,0
близко соответствует расчетной схеме сz  f (r)  const, cur  const
Распределение меридиональной скорости сm  сz по высоте лопатки на выходе из РК на
расчётном режиме
12
Проф. Ю.Б. Галёркин, доц. Ю.В. Кожухов
Опыт использования программ вычислительной
газодинамики (CFD) для анализа рабочего процесса
турбокомпрессоров
Распределение окружной скорости сu по высоте лопатки на выходе из РК на расчётном режиме
Отклоняющая способность решеток оказалась значительно меньшей, чем по
известным эмпирическим формулам. Ниже показана зависимость углов отставания
потока в зависимости от расхода на трех радиусах. Только при t B  1, 0 угол отставания
мало зависит от расхода, что соответствует известному постулату А. Хауэлла. При малой
13
густоте (большой относительный шаг) угол отставания меняется очень сильно.
Проф. Ю.Б. Галёркин, доц. Ю.В. Кожухов
Опыт использования программ вычислительной
газодинамики (CFD) для анализа рабочего процесса
турбокомпрессоров
t B  1,47
Угол отставания потока в РК в трех сечениях по высоте лопаток
l   r  rвт  /  rн  rвт 
14
Проф. Ю.Б. Галёркин, доц. Ю.В. Кожухов
Опыт использования программ вычислительной
газодинамики (CFD) для анализа рабочего процесса
турбокомпрессоров
t B  1, 0
Угол отставания потока в РК в трех сечениях по высоте лопаток
l   r  rвт  /  rн  rвт 
15
Проф. Ю.Б. Галёркин, доц. Ю.В. Кожухов
Опыт использования программ вычислительной
газодинамики (CFD) для анализа рабочего процесса
турбокомпрессоров
Влияние числа лопаток и угла их установки на КПД и повышение
давления в ступени. КПД ступеней близок расчету по компьютерной программе,
базирующейся на методике А.П. Комарова.
Характеристики КПД в ступенях ОК с числом лопаток zРК 88 и 50
16
Проф. Ю.Б. Галёркин, доц. Ю.В. Кожухов
Опыт использования программ вычислительной
газодинамики (CFD) для анализа рабочего процесса
турбокомпрессоров
Повышение статического давления в ступени ОК
17
Проф. Ю.Б. Галёркин, доц. Ю.В. Кожухов
Опыт использования программ вычислительной
газодинамики (CFD) для анализа рабочего процесса
турбокомпрессоров
Линии тока и значения относительных скоростей потока на расчётном режиме ступени ОК
18
Проф. Ю.Б. Галёркин, доц. Ю.В. Кожухов
Опыт использования программ вычислительной
газодинамики (CFD) для анализа рабочего процесса
турбокомпрессоров
Одним из объектов, представляющих интерес для изучения «вязкими»
расчетами, являются центробежные рабочие колеса с двухъярусными решетками.
Экспериментальное исследование с измерениями в относительном движении,
было предпринято на кафедре компрессоростроения ЛПИ в конце 1970-х гг.
Геометрическая форма рабочего колеса 6Х-а кафедры КВХТ
19
Проф. Ю.Б. Галёркин, доц. Ю.В. Кожухов
Опыт использования программ вычислительной
газодинамики (CFD) для анализа рабочего процесса
турбокомпрессоров
Трёхмерная модель для расчёта двухъярусной лопаточной решетки центробежного рабочего
колеса. Вид со стороны покрывающего и основного дисков
20
Проф. Ю.Б. Галёркин, доц. Ю.В. Кожухов
Опыт использования программ вычислительной
газодинамики (CFD) для анализа рабочего процесса
турбокомпрессоров
Обращает внимание ударный характер обтекания коротких лопаток и
нежелательная разгрузка длинных лопаток в этом районе. Улучшение
характера обтекания достигается изменением формы средней линии коротких
лопаток
21
Проф. Ю.Б. Галёркин, доц. Ю.В. Кожухов
Опыт использования программ вычислительной
газодинамики (CFD) для анализа рабочего процесса
турбокомпрессоров
Обтекание лопаток РК с увеличенным значением входного угла βл1 лопаток второго яруса.
22
Проф. Ю.Б. Галёркин, доц. Ю.В. Кожухов
Опыт использования программ вычислительной
газодинамики (CFD) для анализа рабочего процесса
турбокомпрессоров
Сравнение расчетной и
экспериментальной диаграмм поверхностных
скоростей на средней высоте лопатки при
расчётном расходе
23
Проф. Ю.Б. Галёркин, доц. Ю.В. Кожухов
Опыт использования программ вычислительной
газодинамики (CFD) для анализа рабочего процесса
турбокомпрессоров
Сейчас актуально создание различных воздушных компрессорных
установок со ступенями, имеющими очень малый массовый расход и
значительное отношение давлений. Проекты рабочих колес таких ступеней
изучены методами вычислительной газодинамики с применением пакета
программ ANSYS CFX.
Трехмерная модель трансзвукового малоразмерного рабочего колеса
24
Проф. Ю.Б. Галёркин, доц. Ю.В. Кожухов
Опыт использования программ вычислительной
газодинамики (CFD) для анализа рабочего процесса
турбокомпрессоров
Расчётная область осерадиального РК компрессора с обозначением контрольных
сечений
25
Проф. Ю.Б. Галёркин, доц. Ю.В. Кожухов
Опыт использования программ вычислительной
газодинамики (CFD) для анализа рабочего процесса
турбокомпрессоров
m,кг/c
Отношение полных давлений в РК и в РК+БЛД
26
Проф. Ю.Б. Галёркин, доц. Ю.В. Кожухов
Опыт использования программ вычислительной
газодинамики (CFD) для анализа рабочего процесса
турбокомпрессоров
m,кг/c
Отношение статических давленийя в РК и в РК+БЛД
27
Проф. Ю.Б. Галёркин, доц. Ю.В. Кожухов
Опыт использования программ вычислительной
газодинамики (CFD) для анализа рабочего процесса
турбокомпрессоров
m,кг/c
КПД по полным параметрам РК и РК+БЛД
28
Проф. Ю.Б. Галёркин, доц. Ю.В. Кожухов
Опыт использования программ вычислительной
газодинамики (CFD) для анализа рабочего процесса
турбокомпрессоров
Распределение меридиональной составляющей скорости Cm в меридиальной
плоскости на расчётном режиме
29
Проф. Ю.Б. Галёркин, доц. Ю.В. Кожухов
Опыт использования программ вычислительной
газодинамики (CFD) для анализа рабочего процесса
турбокомпрессоров
Относительные скорости у основного диска на расчётном режиме
30
Проф. Ю.Б. Галёркин, доц. Ю.В. Кожухов
Опыт использования программ вычислительной
газодинамики (CFD) для анализа рабочего процесса
турбокомпрессоров
Относительные скорости у периферии лопаткок на расчётном режиме
31
Проф. Ю.Б. Галёркин, доц. Ю.В. Кожухов
Опыт использования программ вычислительной
газодинамики (CFD) для анализа рабочего процесса
турбокомпрессоров
Векторы относительной скорости потока в рабочем колесе на расчётном
режиме
32
Проф. Ю.Б. Галёркин, доц. Ю.В. Кожухов
Опыт использования программ вычислительной
газодинамики (CFD) для анализа рабочего процесса
турбокомпрессоров
Относительные числа Маха у входной кромки лопаток рабочего колеса на
расчётном режиме (вращение против часовой стрелки)
33
Проф. Ю.Б. Галёркин, доц. Ю.В. Кожухов
Опыт использования программ вычислительной
газодинамики (CFD) для анализа рабочего процесса
турбокомпрессоров
Относительные числа Маха на выходе из рабочего колеса на расчётном
режиме (вращение слева направо)
34
Проф. Ю.Б. Галёркин, доц. Ю.В. Кожухов
Опыт использования программ вычислительной
газодинамики (CFD) для анализа рабочего процесса
турбокомпрессоров
Особенности двухъярусного РК
Внешний вид сетки расчётной
области
Структура сетки на средней ОПТ
35
Проф. Ю.Б. Галёркин, доц. Ю.В. Кожухов
Опыт использования программ вычислительной
газодинамики (CFD) для анализа рабочего процесса
турбокомпрессоров
1,0
h *0-3
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
Eta*_0-3_SST
0,4
0,3
Eta*_0-3_k-epsilon
Eta*_0-3_k-omega
0,040 0,045 0,050 0,055 0,060 0,065 0,070 0,075
 ff
КПД ступени по полным параметрам при различных моделях турбулентности
36
Проф. Ю.Б. Галёркин, доц. Ю.В. Кожухов
Опыт использования программ вычислительной
газодинамики (CFD) для анализа рабочего процесса
турбокомпрессоров
*0-3
P2,6
2,4
2,2
2,0
1,8
1,6
1,4
1,2
Pi*_0-3_SST
Pi*_0-3_k-epsilon
Pi*_0-3_k-omega
0,040 0,045 0,050 0,055 0,060 0,065 0,070 0,075
f
Отношение давленияй ступени по полным параметрам при различных моделях
Φ  0,045
турбулентности
37
Проф. Ю.Б. Галёркин, доц. Ю.В. Кожухов
Опыт использования программ вычислительной
газодинамики (CFD) для анализа рабочего процесса
турбокомпрессоров
Числа Маха на средней по высоте лопаток ОПТ вблизи входной кромки
короткой лопатки ( Φ  0,069 ) при модели турбулентности SST
38
Φ  0,056
Проф. Ю.Б. Галёркин, доц. Ю.В. Кожухов
Опыт использования программ вычислительной
газодинамики (CFD) для анализа рабочего процесса
турбокомпрессоров
Варианты расположения поверхности
интерфейса:
а) D2M  135 мм, D2M / D2РК  1;
б) D2M  137 мм, D2M / D2РК  1,015;
А
в) D2M  140 мм, D2M / D2РК  1,037;
А
А
,
Контуры абсолютной скорости потока в окрестности выходной кромки лопатки РК при
разном положении области перехода из относительной в абсолютную систему координат
Φ  0,056
39
Проф. Ю.Б. Галёркин, доц. Ю.В. Кожухов
Опыт использования программ вычислительной
газодинамики (CFD) для анализа рабочего процесса
турбокомпрессоров
Выводы по исследованию двухзвенной ступени (РК+БЛД) с
двухъярусным осерадиальным рабочим колесом:
1. Двухпараметрические модели турбулентной вязкости k   standard, k   , ,
SST
k 
не
оказывают
принципиально разного влияния на расчетную картину течения
в РК и БЛД. Модель
завышает
значения отношения давлений и
k   standard
политропного КПД РК по полным параметрам на 1,5-2% в сравнении с
другими.
2. Для обеспечения физически обоснованной картины течения в области
выходной кромки РК необходимо располагать поверхность интерфейса РК-БЛД
(постановка frozen rotor) после завершения смешения следа за лопаткой с
основным потоком;
3. Месторасположение интерфейса РК-БЛД влияет на интегральные параметры
работы РК, однако умеренная его удаленность от выходной кромки не приводит
к нарушению закона сохранения энергии.
4. Расчеты РК рекомендуется производить при D2M / D2  1,037
40
Проф. Ю.Б. Галёркин, доц. Ю.В. Кожухов
Опыт использования программ вычислительной
газодинамики (CFD) для анализа рабочего процесса
турбокомпрессоров
В настоящее время на кафедре КВХТ СПбГПУ с
использованием методов вычислительной газодинамики проводятся
исследования отдельно входных и выходных устройств, элементов
проточной части и ступеней в целом турбокомпрессоров различных
типов.
Хотя проблемы точного соответствия результатов расчетов по
программам CFD и результатов экспериментов пока не решены
полностью, роль численных методов в практике исследований и
проектирования уже сейчас велика и будет быстро возрастать в
обозримом будущем.
41
Проф. Ю.Б. Галёркин, доц. Ю.В. Кожухов
Опыт использования программ вычислительной
газодинамики (CFD) для анализа рабочего процесса
турбокомпрессоров
БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ
42