CC BY
220
УДК 621.431.75
ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА А^У8 СЕХ ПРИ РАСЧЕТЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ КОМПРЕССОРОВ А.Я. Абдулин, Н.Б. Проскурина, Н.С. Сенюшкин, Р.Р. Ямалиев
В работе рассматривается численное моделирование течения в центробежном компрессоре с помощью программного комплекса ЛЫБУБ СЕХ, проводится сравнение натурного и численного экспериментов
Ключевые слова: центробежный компрессор, численное моделирование, газодинамические расчеты
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время при проектировании перспективных силовых установок кораблей и самолетов для гражданской и боевой авиации проявился определенный интерес к центробежным компрессорам, их предлагается применять для замены трех последних ступеней КВД. Возможность достижения в них высоких степеней повышения давления при небольшой осевой протяженности и массе компрессора отодвинула на второй план такой недостаток центробежного компрессора, как более низкий КПД по сравнению с осевым компрессором.
Широкое применение центробежные
компрессоры получили в малоразмерных
газотурбинных двигателях для беспилотных аппаратов и газотурбинных
установок. Применение
компрессоров в данном случае обусловлено возможностью получения потребных степеней повышения давления в одной ступени компрессора, что позволяет сократить количество деталей, а соответственно, и стоимость изделия [4].
Приведенный анализ указывает на актуальность проведения исследований в области проектирования центробежных компрессоров.
На современном этапе развития авиационного двигателестроения в рамках СЛЬ8-технологий при проектировании новых изделий все большее применение находит использование различных программных комплексов. Применение СЛЬ8-технологий позволяет значительно сократить сроки и материальные затраты при проведении различных работ на ранних стадиях проектирования.
Данная работа посвящена оценке возможности использования программного комплекса ЛЫ8У8 СЕХ при расчете центробежных компрессоров.
летательных энергетических центробежных
1. УСТАНОВКА ОРТ-210
Установка ОРТ предназначена для экспериментального исследования характеристик центробежного компрессора. Она состоит из входного участка с соплом Вентури, вращающегося центробежного колеса с диффузорным течением потока, выходного участка - улитки. Далее поток по трубкам собирается в общий газосборник и выдувается в атмосферу. Перед выходом в атмосферу располагается дроссельная заслонка, которая позволяет регулировать расход воздуха через компрессор. Фотографии установки представлены на рис. 1.
Рис. 1. Фотографии лабораторной установки ОРТ
Абдулин Арсен Яшарович - УГАТУ, магистрант, тел. (347) 273-36-77, e-mail: [email protected] Проскурина Наталия Борисовна - УГАТУ, магистрант, тел. (347) 273-36-77, e-mail: [email protected] Сенюшкин Николай Сергеевич - УГАТУ, канд. техн. наук, тел. (347) 273-36-77, e-mail: [email protected] Ямалиев Руслан Рафаилович - УГАТУ, ассистент, тел. (347) 273-36-77, e-mail: сvamalrr@maiLш
Геометрическая модель установки была создана по рабочим чертежам в среде Unigraphics. Она включает в себя статорную (входной патрубок и улитка) и роторную (лопаточный венец) части. Изображения трехмерной модели с разных ракурсов представлены на рис. 2,3.
Рис. 2. Различные виды 3Б модели, созданной по рабочим чертежам
д
Рис. 3. Геометрия элементов расчетной области
а - входной участок; б - ротор; в - улитка; г, д - вид расчетной области спереди и сзади (без входного участка)
2. ПОСТРОЕНИЕ СЕТКИ СЕХ-МЕ8И
После создания геометрии расчетной области была сформирована сеточная модель. В модуле CFX-Mesh были построены автономные модели входного участка, ротора и улитки (рис. 4).
а
а
в
б
д
Рис. 4. Сеточные модели расчетной области а - сеточная модель ротора; б - сеточная модель входного участка; в, г, д - сеточная модель улитки, различные виды
Параметры сетки:
максимальный размер ячейки во всей расчетной области 0,8 мм;
размер поверхностной сетки во всей расчетной области 0,4.. .0,8 мм;
у стенок 5 призматических слоев с суммарной толщиной не более 0,8 мм;
размеры поверхностной сетки в улитке, где есть радиусы скругления, составляют 0,4...0,5 мм. Количество ячеек: входной участок - і І53906 ячеек; ротор - 832552 ячейки; улитка - І9689І0 ячеек.
3. ПОДГОТОВКА МОДЕЛИ К РАСЧЕТУ В CFX-PRE
Модель с расставленными граничными условиями представлена на рис. 5. На входе задается полное давление, на выходе массовый расход. В местах соприкосновения ротора и статора задается взаимодействие областей Frozen Rotor: параметры от входного участка к ротору и от ротора к выходному участку передаются без осреднения потока [І].
Рис. 5. Модель центробежного компрессора с расставленными граничными условиями 1 - взаимодействие областей ротор-статор;
2 - выход; 3 - вход
Граничные условия в ANSYS CFX-Pre
Модель турбулентности: стандартная k-e.
Вещество: воздух, подчиняющийся закону
идеального газа.
Модель теплопереноса: Total Energy
(учитывается сжимаемость жидкости, решаются уравнения теплопереноса).
Опорное (ссылочное) давление: І0І325 Па.
Взаимодействие областей ротор-статор: Frozen Rotor.
Граничное условие «Вход»: задается полное давление, равное атмосферному и температура.
Граничное условие «Стенка»: стенка с
прилипанием.
Граничное условие «Выход»: задается
массовый расход.
4. РЕЗУЛЬТАТЫ НАТУРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
Натурный эксперимент проведен на
лабораторной установке ОРТ-210.
Таблица і
_____Результаты натурного эксперимента____________
№ t, С Рв, кПа рвх, кПа рвых, кПа р*вы» кПа Т* А вых? С mB, кг/с
і 21,5 -0,3 0,0 0,1 0,2 22,3 0,0102
2 21,5 -1,4 -0,5 0,8 0,9 23,6 0,0220
3 21,6 -1,0 -0,3 2,3 2,4 24,5 0,0186
4 21,7 -2,2 -0,7 5,3 5,5 27,5 0,0274
5 21,7 -0,3 0,0 7,4 7,5 28,2 0,0102
6 21,9 -3,1 -1,1 2,2 2,5 28,6 0,0323
7 22,0 -4,3 -1,5 2,7 3,1 30,8 0,0376
Результаты занесены в табл. 1. Эксперименты проводились при различных частотах вращения
компрессора и различных углах дроссельной заслонки, каждый последующий эксперимент происходит с увеличением заторможенной температуры на выходе.
Примечание к таблице: 1 - частота вращения 100 об/с, дроссель 90 град; 2 - частота вращения 200 об/с, дроссель 90 град; 3 - частота вращения 200
об/с, дроссель 45 град; 4 - частота вращения 300
об/с, дроссель 45 град; 5 - частота вращения 300
об/с, дроссель 20 град; 6 - частота вращения 300
об/с, дроссель 70 град; 7 - частота вращения 350
об/с, дроссель 90 град.
Расход воздуха подсчитывается в сечении в-в.
Массовый расход определяется в узком сечении входного участка (в-в), где располагается приемник статического давления (трубка Вентури).
Рв • д(Л) • р*
me = A(k, R) ■
где Ее - площадь входного участка в сечении в-в ^ =ж^й 2/4 = 3,14 • 0,022052/4 = 0,000382 м2; д(Л) определяется по ж(Л) = р/р*, р*=рн; рн = 101325 Па [2, 3].
5. ВИЗУАЛИЗАЦИЯ И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ
Данные, полученные по результатам расчета в АКБУБ CFX занесены в табл. 2. После проведено сравнение натурного и численного эксперимента в табл. 3.
На рис. 6 видно, что статическое давление повышается от входного участка к выходному, т.к. течение в компрессоре диффузорное.
Таблица 2
№ mвх/mвых, г/с Т* А вых, К р*вы» кПа рвх рвых
1 10,4/10,2 295,40 0,3 -0,1 0,3
2 22,2/22,0 297,90 1,1 -0,3 0,8
3 19,0/18,6 298,29 2,2 -0,2 2,0
4 26,8/27,4 301,24 5,6 -0,3 5,6
5 10,3/10,2 301,72 7,6 -0,1 7,3
6 31,7/32,3 302,04 2,4 -1,2 2,0
7 36,3/37,6 302,41 3,2 -1,3 2,8
Распределение полного давления показано на рис. 7: полное давление считается по
относительным параметрам потока в роторной части (р„*), и является примерно постоянным, без учета потерь полного давления. В выходной статорной части (улитке), полное давление считается по абсолютным параметрам потока, поэтому происходит скачкообразное изменение на картине распределения полного давления. Далее, по
выходным патрубкам осредненное полное давление падает, неравномерность поля давлений по
поперечному сечению патрубка уменьшается.
Таблица 3
Сравнение натурного и численного
№ Эксп Т* , А вых? К р*вы» кПа рвх рвых
1 Числ 295,40 0,5 -0,1 0,3
Натур 295,35 0,2 0,0 0,1
2 Числ 297,90 1,1 -0,3 0,8
Натур 296,75 0,9 -0,5 0,7
3 Числ 298,29 2,2 -0,2 2,0
Натур 297,55 2,4 -0,3 2,3
4 Числ 301,24 5,6 -0,3 5,6
Натур 300,85 5,5 -0,7 5,3
5 Числ 301,72 7,6 -0,1 7,3
Натур 301,35 7,5 0,0 7,4
6 Числ 302,04 2,4 -1,2 2,0
Натур 301,75 2,5 -1,1 2,1
7 Числ 302,41 3,2 -1,3 2,8
Натур 303,95 3,1 -1,5 2,6
Рис. 6. Распределение статического давления в плоскости компрессора
Total Pressure __—_.
Plane 1
19724.695
Рис. 7. Распределение полного давления в плоскости компрессора
ВЫВОДЫ
Результаты, полученные в численном эксперименте, показывают хорошее соответствие с результатами натурного эксперимента.
Погрешность между натурным и численным экспериментом составляет не более 5%.
Картины распределения параметров, полученные в ЛЫБУБ СЕХ, соответствуют основным закономерностям течения в центробежных компрессорах.
Осреднение параметров потока наиболее предпочтительно по массовому потоку, а не по площади, поскольку, в случае обратных течений, при осреднении по потоку параметры суммируются по модулю, а при осреднении по площади, суммирование происходит с учетом знака. Так как на выходе из компрессора наблюдается большая неравномерность, то целесообразно применять осреднение по массовому расходу.
С учетом вышесказанного можно сделать вывод о правильности задания граничных условий и соответствии численной модели, построенной в препроцессоре ЛШУ8 СБХ, течению в реальном компрессоре установки ОРТ-216.
Работы ведутся при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.
Литература
1. ANSYS inc. Руководство пользователя ANSYS CFX.
2. Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика. В 2 ч. Ч. 1: Учебное руководство: Для втузов. - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука., 1991. - 600 с.
3. Ржавин Ю.А. Осевые и центробежные компрессоры двигателей летательных аппаратов. Теория, конструкция и расчет: учебник. - М.: Изд-во МАИ, 1995. - 344 с.
4. Холщевников К.В. Теория и расчет авиационных лопаточных машин: Учеб. для авиац. вузов и фак. - М.: Машиностроение, 1970. - 610 с.
Уфимский государственный авиационный технический университет
ESTIMATION OF PROGRAM COMPLEX ANSYS CFX FOR CALCULATION OF CENTRIFUGAL COMPRESSORS USAGE POSSIBILITY A.Y. Abdulin, N.B. Proskurina, N.S. Senyushkin, R.R. Yamaliev
Given work observes numerical modeling of a current in the centrifugal compressor by means of program complex ANSYS CFX. This work considers comparison of natural and numerical experiments
Key words: the centrifugal compressor, numerical modeling, gas-dynamic calculations
