CC BY
84
УДК 621
И. Г. Хисамеев, В. А. Футин, И. М. Шубкин
ПРОВЕДЕНИЕ ВЕРИФИКАЦИИ МОДЕЛЕЙ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ТУРБОМАШИНЫ НА ПРОГРАММЕ FLOW VISION
Ключевые слова: центробежный компрессор, проточная часть, программный комплекс, численный метод.
Выявлено влияние геометрических параметров модели проточной части турбомашины на точность результатов расчета во FLOW VISION.
Keywords: centrifugal compressor, flow path, software, numerical method.
It has been shown how geometry of compressor flow path model affects the accuracy of “Flow Vision " results.
При проектировании центробежных компрессоров (ЦК) на индивидуальные параметры заказчика появляется необходимость модификации типовой ступени или создание новой, а также улучшение существующих ступеней[1]. Моделирование трехмерного потока численными методами, реализованными в программном комплексе Flow Vision, является одним из этапов проектирования проточных частей ЦК [2].
Целью работы являлось определение влияния геометрических параметров исследуемого объекта на точность расчета в среде FlowVision.
Задачи работы:
1. Исследование влияния размера расчетной ячейки на точность и время расчета ступеней с рабочими колесами (РК) закрытого и полуоткрытого типов, состоящих из трех подобластей.
2. Исследование влияния наличия и отсутствия потерь на протечки и трение дисков на характеристики ступеней с РК закрытого и полуоткрытого типов, состоящих из трех подобластей.
В качестве объектов исследования были применены две центробежные ступени, испытанные в ЗАО "НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа".
Первая ступень с закрытым РК всасывающего типа для многоступенчатого ЦК высокого давления имела: всасывающий патрубок, входное устройство, РК закрытого типа с относительной шириной на выходе 0,0533 и с углом выхода лопаток 60°, безлопаточный диффузор, поворотное колено, обратно направляющий аппарат. Эксперименты проводились при условном числе Маха 0,7.
Вторая ступень - ступень многовального мультипликаторного ЦК концевого типа -имела: осевой входной патрубок, полуоткрытое осерадиальное РК с относительной шириной на выходе 0,0426 и с углом выхода лопаток 50°, лопаточный диффузор с углом лопатки на входе 19°, выходное устройство в виде кольцевой камеры, нагнетательный патрубок. Эксперименты проводились при условном числе Маха 1,0. Рабочий зазор между корпусом и торцами лопаток на выходе из РК, полученный экспериментально, составил б = 0,2 мм.
Геометрические модели ступеней представляют осесимметричные секторы с одной лопаткой РК и содержат три подобласти: входной аппарат, РК, диффузор. Течение в модели приняли осесимметричным, т. е. распределение давлений и скоростей по окружной координате на входе и выходе ступени равномерно.
Для трехмерного моделирования течения потока в среде Flow Vision первой ступени с закрытым рабочим колесом приняли геометрическую модель потока, состоящую из входного аппарата, рабочего колеса и безлопаточного диффузора.
Это позволило провести верификацию по трем сечениям: 0 - на входе в рабочее колесо, 2 - на выходе из рабочего колеса и 4 - на выходе из безлопаточного диффузора.
Геометрические модели потока первой ступени строились как одна и три подобласти. Входной аппарат имеет кольцевой вход. В нем отсутствуют лопатки. Рабочее колесо моделировалось как без каналов между корпусом компрессора и дисками РК, так и с каналами (рис. 1) для учета влияния потерь на протечки и трение дисков.
Рис. 1 - Геометрическая модель потока первой центробежной ступени с каналами между корпусом компрессора и дисками РК
Рис. 2 - Геометрическая модель потока второй центробежной ступени
Геометрические модели потока второй ступени строились как одна и три подобласти. Вторая ступень с осерадиальным полуоткрытым рабочим колесом (рисунок 2) содержит также три звена: осевой направляющий аппарат, рабочее колесо и лопаточный диффузор. Между передней стенкой рабочего колеса и торцами лопаток построен равномерный по всей длине контура зазор, равный 0,2 мм. Протечка со стороны основного диска в модели отсутствует вследствие ее малой величины от 0 до 0,1%.
В рассматриваемой работе выбрали:
1. Тип модели расчета - "Полностью сжимаемая жидкость"[3].
2. Модель турбулентности - SST.
3. Вещество - воздух.
В расчетной модели были приняты следующие граничные условия:
1. На входе входного патрубка задавали "Полную температуру" и "Полное давление".
2. На выходе из диффузора задавали "Нормальную массовую скорость", определяемую как отношение заданного массового расхода воздуха к площади выхода и к числу лопаток;
3. Для неподвижных и вращающихся стенок задавали условие расчета пограничного слоя по логарифмическому закону; скорость на стенке при этом принималась равной нулю.
4. Для торцов лопаток и передней стенки корпуса задавали модель зазора.
5. Подвижному элементу модели - рабочему колесу задавали движение вокруг оси z с частотами вращения, соответствующих числу Маха Mu равному 0,7 для первой ступени и числу Маха Mu равному 1 для второй ступени (соответствующих экспериментальным данным).
6. Передача рассчитываемых данных от неподвижного входного аппарата к вращающемуся рабочему колесу и далее к неподвижному диффузору осуществлялась через связанные попарно между собой скользящие поверхности.
7. Для поверхностей, выделяющих осесимметричный сектор, задавали условие периодичности.
Расчет моделей проводили при различном измельчении сетки.
Обработка данных:
- Расчетные данные обрабатывались с помощью формул газо- и термодинамики, применяемых при обработке экспериментальных данных. Все расчетные данные осреднялись по площади.
- Проводилось осреднение и пересчет скоростей из декартовой системы координат в полярную.
Для оценки минимального размера ячейки при моделировании трехмерного течения в турбомашинах ввели понятие безразмерного коэффициента размера ячейки д, определяемого как отношение длины одной стороны ячейки С к толщине лопатки рабочего колеса бл. Ячейка задается в виде куба.
При измельчении ячейки погрешность расчета степени повышения давления П4 по полным параметрам для первой и второй ступеней уменьшается (таблица 1).
Зависимость степеней повышения давлений за рабочим колесом и диффузором первой и второй ступеней от условного коэффициента расхода Фо показывает, что расчетные данные меньше соответствуют экспериментальным на больших расходах. На оптимальном и минимальном расходах соответствие больше.
Таблица 1 - Результаты исследования размера ячейки в моделях первой ступени с каналами между корпусом компрессора и дисками РК и второй ступени при оптимальном условном коэффициенте расхода Фоопт.
Газодинами -ческие параметры Экспери- мент Расчет при ц = 1.267 Расчет при ц = 0.63 Расчет при ц = 0.25 А, %
ц = 1.267 ц = 0.63 ц = 0.25
О, кг/с 1.646 -ая ступень -
П4* 1.4005 1.4533 1.4632 1.4527 3.77, 4.47, 3.72
П|4 0.865 0.8988 0.8888 0.8832 3.91, 2.75,2.1
О, кг/с 1.616 2-ая ступень -
П4* 1.9772 1.8276 1.8538 1.9497 .4 - .3 - .6, 7. -
П|4 0.8172 0.726 0.8082 0.8688 -11.2, -1.1, +6.0
^ ч. -- 8 24 120 -
Визуальные результаты расчетов по третьей задаче:
1. При рассмотрении изолиний абсолютной скорости в меридиональном сечении диффузора первой ступени без каналов (рисунок 3а) и с каналами (рисунок 3б) между корпусом компрессора и дисками РК видно, что в модели без каналов нарушается физичность процесса: в меридиональном сечении безлопаточного диффузора наблюдаются два ядра потока на стенках, а не в центре, как это описывается в литературе [4].
В модели первой ступени с каналами физичность процесса сохраняется: ядро потока перемещается в диффузоре от передней стенки к задней и к середине ширины канала.
2. На выходе из диффузора отчетливо видны ядро потока и пограничный слой, скорость с приближением к выходу диффузора снижается.
Рис. 3а - Изолинии абсолютной скорости первой ступени при Фо=0,0838 без каналов
между корпусом компрессора и дисками РК
Рис. 3б - Изолинии абсолютной скорости первой ступени при Фо=0,0838 с каналами между корпусом компрессора и дисками РК
Заключение
1. Проведенная работа показала, что с помощью программного комплекса Flow Vision можно получить хорошее соответствие расчетных данных экспериментальным по параметрам, осредненным по площади в контрольных сечениях, при расчете ступеней многозвенных центробежных компрессоров различного типа (полуоткрытые рабочие колеса с зазором на передней стенке, закрытые рабочие колеса с протечками в зазорах между корпусом компрессора и дисками РК). Погрешность расчета интегральных параметров элементов ступени (рабочее колесо, диффузор) составляет не более 5% при моделировании мелких деталей объекта исследования, правильном задании граничных условий и размера конечных объемов. При расчетах ступени на режимах работы, соответствующих большим расходам, погрешность выше и достигает 10%.
2. Качественная картина течения наиболее близка к известным литературным данным при моделировании мелких деталей объекта исследования, таких как зазоры между корпусом компрессора и дисками закрытого РК и между корпусом компрессора и торцами лопаток полуоткрытого РК.
3. При отсутствии резко изменяющихся геометрических размеров модели ступени (например, зазор в полуоткрытом колесе или лабиринтное уплотнение) размер расчетной ячейки должен быть сопоставим с минимальным размером элементов проточной части (толщина лопатки), и уменьшение размера расчетной ячейки незначительно влияет на точность расчета.
При резко изменяющихся формах геометрической модели ступени необходимо уменьшить размер расчетной ячейки в области минимального размера геометрической модели.
Литература
1. Максимов, В.А. Компрессорное и холодильное машиностроение на современном этапе / В .А. Максимов, А.А. Мифтахов, И.Г.Хисамеев//Вестник Казан. технол. ун-та. - 1998. - №1. -С.104-113.
2. Муртазин Р.Ф., Футин В.А., Поташева Е.В. Опыт применения программно-методического комплекса для анализа и проектирования проточных частей центробежных компрессоров // Компрессорная техника и пневматика. - 2010. - № 5. - С. 14.
3. FlowVision. Руководство пользователя. Версия 2.5.2-2008.
4. Рис В.Ф. Центробежные компрессорные машины», - 3-е изд., перераб. и доп. - С-Пб.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1981. - 351 с.
© И. Г. Хисамеев - д-р техн. наук, проф., зав. каф. холодильной техники и технологии КНИТУ; В. А. Футин - канд. техн. наук, нач. отдела мультипликаторных компрессоров ЗАО "НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа", vic_net1@mail.ru; И. М. Шубкин - инженер по расчетам 2-й кат. ЗАО "НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа", соискатель КГТУ им. А.Н.Туполева, shubkin-ivan@yandex.ru.
