CC BY
10УДК 62-762.62
Технические науки
Ильичев Владимир Юрьевич, к.т.н., доцент кафедр «Тепловые двигатели и
гидромашины» и «Мехатроника и робототехнические системы», Калужский филиал ФГОУ ВО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский
университет), г. Калуга, Россия Герасимова Наталия Сергеевна, к.т.н., доцент кафедры «Материаловедение и химия», Калужский филиал ФГОУ ВО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет), г. Калуга, Россия Качурин Алексей Витальевич, магистрант кафедры «Тепловые двигатели и гидромашины», Калужский филиал ФГОУ ВО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет), г. Калуга, Россия
СОЗДАНИЕ И АПРОБАЦИЯ МЕТОДИКИ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕЧЕНИЯ ВОЗДУХА В ЛАБИРИНТНЫХ
УПЛОТНЕНИЯХ
Аннотация: В статье описана созданная авторами методика построения трёхмерной модели воздушных лабиринтных уплотнений, используемых в газотурбинных двигателях (ГТД) и применения программы ЛдБуБ для их расчёта. Описаны функции ЛшуБ, использованные в ходе расчёта полей скоростей и давлений около уплотнительного гребня, а также протечки воздуха через зазор между ротором и статором, приведены примеры расчёта для одного из уплотнений ГТД. По результатам расчётов сделаны выводы, намечены направления дальнейших исследований воздушных лабиринтных уплотнений ГТД.
Ключевые слова: лабиринтное уплотнение, газотурбинный двигатель,
автоматизация расчётов, поля скоростей, поля давлений, пакет Ansys.
Annotation: The article describes the method created by the authors to build a three-dimensional model of air labyrinth seals used in gas turbine engines and use the Ansys program to calculate them. Ansys functions used during the calculation of velocity and pressure fields near the sealing ridge, as well as air leakage through the gap between the rotor and the stator are described, examples of calculation for one of the gas turbine seals are given. Based on the results of the calculations, conclusions were made, directions of further research of air labyrinth seals of the gas turbine engine were outlined.
Keywords: labyrinth seal, gas turbine engine, calculation automation, speed fields, pressure fields, Ansys package.
Введение
В предыдущей работе авторов [2] были рассмотрены особенности лабиринтных уплотнений газотурбинных двигателей (ГТД), а также важность решения проблемы наиболее адекватного их автоматизированного расчёта. С этой целью по нормативным материалам [6] была создана специальная программа на языке программирования Python [9], позволяющая определять распределение давлений по гребням наиболее широко применяемого прямоточного уплотнения, а главное, утечку рабочего тела (воздуха) через зазор уплотнения при разных значениях зазора между роторной и статорной частями ГТД, а также при варьировании конструктивных параметров уплотнения (например, для его оптимального проектирования).
Целью описываемой работы являлась проверка результатов расчёта утечек воздуха, полученных при расчёте одного гребня уплотнения 5-й опоры газотурбинного модуля МСУ - 800 производства ПАО «Кадви», г. Калуга. Данная верификация производится с использованием универсальной программы трёхмерного моделирования.
Материал и методы исследования
Основным внешним программным продуктом для апробации указанного расчёта и детального исследования картины течения рабочего тела вдоль одного из гребней уплотнения выбран пакет программ Ansys [11], предназначенный для множества различных областей применения: расчётов на прочность, исследования течения жидкостей или газов, тепловых явлений и прочих. Каждая из перечисленных задач решается с помощью так называемых решателей - компонентов программы, выбираемых с помощью инструмента Workbench [1], представляющего из себя ряд панелей инструментов и интерфейсных окон.
Для достижения цели данной работы вначале были выбраны модули панели Toolbox из блока Component Systems. В рабочую область созданного проекта также были добавлены компоненты, предназначенные для построения геометрической модели, поиска решения, обработки полученных результатов.
Рассмотрим более подробно использованные для решения задачи модули (в порядке их применения в процессе поиска решения) (рис. 1).
Рис 1. Схема рабочего пространства, созданного для решения поставленной задачи
На левой панели инструментов (А) показан выбор опции Mesh (сетка) из пункта Geometry (геометрия), находящегося в разделе Component Systems (системы компонентов). Для применения данной опции в систему загружается ЭБ-модель уплотнения, созданная в программе SolidWorks [12].
Правой панелью инструментов (В) является специальный пакет Ansys CFX [8], предназначенный для применения моделей гидрогазодинамики и исследования процессов теплообмена. В данном пакете учитываются такие
особенности гидрогазодинамики как турбулентность, динамичность и нестационарность, возникающие в процессах химические реакции, компонентный состав исследуемых сред, радиационная и прочая волновая активность. Фактически, этот пакет при инженерных расчётах очень часто является основным для исследования гидрогазодинамических процессов в газовых турбинах, в которых есть неподвижные и вращающиеся части [3].
На рис. 2 приведена 3Э-модель [4] рассматриваемого лабиринтного уплотнения, построенная в среде SolidWorks и впоследствии использующаяся для моделирования в пакетах Ansys.
Рис. 2. 3Б-модедь исследуемого лабиринтного уплотнения, созданная в программе
SolidWorks
Далее к представленной модели применялась опция Mesh (создание сетки конечных элементов). Данная сетка называется структурированной; её визуализация приведена на рис. 3. Качество сетки, необходимое для проведения последующего конечно-элементного расчёта, оценивалось с помощью встроенных в опцию инструментов.
•J
После разбиения модели уплотнения на конечные элементы [5], с помощью описанного выше пакета CFX были заданы граничные условия и произведён собственно расчёт протечек рабочего тела через уплотнение. Данный процесс состоял из следующих этапов:
1. задание граничных условий входа и выхода в подмодуле Setup. В данном случае задача является стационарной (Steady State), и рассматривается дозвуковое течение (Subsonic) идеального газа (Air Ideal Gas). Передача тепловой энергии задаётся в закладке Heat Transfer и рассчитывается по полной энергии (Total Energy). На входе в уплотнение (поверхности Inlet), через которую поток входит в расчетную область, задавалось полное давление и полная температура потока, соответствующие исходным данным, приведённым в статье [2]. Оттуда же взято значение среднего статического давления на выходе из расчётной области (поверхности Outlet).
2. присвоение свойств стенки (Wall) остальным поверхностям уплотнения, которые отличаются от входа и выхода непроницаемостью рабочего тела, прилипанием к ним молекул воздуха, а также полным заполнением им всех шероховатостей поверхности. В задаче рассматривается только 1/15 часть окружности камеры гребня, а на боковых поверхностях стенок задаётся свойство Domain Interface «per», который определяет боковые стенки как проницаемые, связанные друг с другом по продольной оси таким
Рис. 3. Разбиение модели на сетку конечных элементов
образом, что значения параметров потока в соответствующих узлах расчетной сетки совпадают.
3. выбор количества выполняемых решателем итераций во вкладке Solver Control. Экспериментальным путём найдено, что для достижения достаточной точности расчётов хватает 100 итераций [10].
Визуализация модели с заданными в пп. 1 и 2 граничными условиями представлена на рис. 4.
Рис. 4. Визуализация граничных условий для исследуемой модели уплотнения, заданных в
препроцессоре Setup CFX
Пример расчёта
С использованием опции Output Control была задана пользовательская поверхность для отслеживания полного значения полной температуры (Total Temperature), после чего был запущен процесс поиска решения с помощью инструмента Solver CFX.
Полученное решение (картина течения и его численные характеристики) анализировалось с помощью постпроцессора CFX Results. Некоторые результаты анализа представлены далее.
На рис. 5 показано распределение скоростей (м/с) над гребнем уплотнения.
Velocity Streamline 1 Ш 6.797e+01
5.102e+01
3.407e+01
Рис. 5. Полученная в результате расчёта картина распределения скоростей над гребнем
уплотнения
Из рисунка можно сделать вывод, что сужение зазора в уплотнении вызывает увеличение скорости истечения воздуха, что вполне соответствует данным предыдущего расчёта, проведённого с помощью программы на языке Python. Также за гребнем наблюдается образование вихрей воздуха (турбулентность), - один из процессов, на котором и основана работа уплотнения данного типа.
Следующая представленная визуализация расчётов (рис. 6) показывает картину распределения полного давления вокруг одного из гребней.
Total Pressure Contour 1 — 2.410е+05
I 2.400е+05
Рис. 6. Полученная
распределения давления около гребня
уплотнения
Представленные на рисунке результаты наглядно показывают, как уменьшается давление после гребня (из-за отчётливо наблюдаемой на рис. 5 турбулентности).
Так как одной из основных целей численного эксперимента является получение расхода воздуха через уплотнения и сравнения его с ранее выполненным другим способом расчётом, необходимо вывести эту величину в цифровом виде, для чего можно использовать параметр «table» в постпроцессоре CFX Results (результаты выводятся в виде таблицы Excel). В данном случае, на одном гребне протечка составила 4.215810-4 кг/с. Так как рассматривался сектор гребня, составляющий 1/15 его часть, общая протечка равна 15-4.216-10-4=6.324 10-3 кг/с. Согласно расчёту по программе на Python, протечка на первом гребне составляет 6.6 10-3 кг/с.
Заключение
Таким образом, рассчитанное расхождение между значениями протечек через гребень, полученное с помощью двух методов, составляет около 4%, что в данном случае является очень хорошим значением согласно опыту подобных расчётов (в некоторых случаях при сравнении разных численных методов расчёта отличие часто может составлять до десятков процентов).
Так как применение программы на Python гораздо проще, то именно с её помощью рекомендуется выполнять основную часть расчётов при проектировании лабиринтных уплотнений [7]. Рассмотренный в данной статье гидрогазодинамический расчёт с помощью программного комплекса Ansys следует производить с целью верификации отдельных лабиринтных уплотнений или их частей, особо важных с точки зрения надёжности и эффективности газотурбинного двигателя.
Таким образом, цель описываемой научно-исследовательской работы выполнена в полном объёме: разработана методика создания и расчёта 3D-моделей лабиринтных уплотнений [4], а также верификации результатов
расчёта утечек воздуха, полученных разными методами. Так как в данной работе верификация была проведена лишь на одном гребне уплотнения, необходимо в дальнейшем усложнить модель уплотнения в SolidWorks с использованием всех гребней, и повторно провести верификацию. Также при этом будет получена более точная картина распределения параметров воздуха в разных частях и направлениях.
Обе разработанные методики и созданную на языке Python программу также планируется использовать для расчётов разных видов лабиринтных уплотнений и их верификации с целью выбора наилучшей для совершенствуемого газотурбинного модуля МСУ - 800, а также прочих газотурбинных установок, в том числе с использованием не только воздуха, но и других рабочих тел.
Библиографический список:
1. Зайдуллин Д.А., Макарычев А.С., Терешко А.Г. Вопросы моделирования и расчёта критических частот вращения роторов в программном комплексе Ansys Workbench в 3D постановке. / В сборнике: Проблемы и перспективы развития двигателестроения. Материалы докладов Международной научно-технической конференции. 2018. С. 26-27.
2. Ильичев В. Ю., Качурин А. В. Создание и апробация программы для расчёта характеристик воздушных лабиринтных уплотнений // E-Scio [Электронный ресурс]: Электронное периодическое издание «E-Scio.ru» — Эл № ФС77-66730 — URL: http:/^-scю.ru/wp-content/uploads/2021/П/Ильичев-В.-Ю.-Качурин-А.-ß.pdf (Дата обращения 17.12.2021 г.).
3. Ильичев В.Ю., Лужецкий А.А. Методика технико-экономического обоснования применения пластинчатых рекуператоров в малоразмерных ГТУ. // Научное обозрение. Технические науки. 2021. № 1. С. 40-45.
4. Ильичев В.Ю., Юрик Е.А., Ибрагимов С.В. Разработка методики определения осевых усилий, возникающих в лабиринтных уплотнениях паровых турбин. // СтройМного. 2018. № 1 (10). С. 3.
5. Ильичев В.Ю. Создание параметрических конечно-элементных трехмерных объектов с использованием функций Python. // Системный администратор. 2021. № 5 (222). С. 82-85.
6. РТМ 108.020.33-86. Уплотнения лабиринтные стационарных паровых и газовых турбин и компрессоров. Проектирование и расчет. - М.: НПО ЦКТИ, 1988.
7. Темис Ю.М., Селиванов А.В. Перспективные уплотнения для газотурбинных двигателей. // Авиационные двигатели. 2021. № 2 (11). С. 43-60.
8. Чернышкова У.С. Разработка новой конструкции тонкослойного модуля в программе конечно-элементного анализа Ansys CFX. // Научный Лидер. 2021. № 14 (16). С. 117-120.
9. Ilyichev V.Yu. Development of a program for Lorentz attractor research and its use. // The Complex Systems. 2021. № 1 (11). С. 58-64.
10. Kaptsov O.V. Iterations and groups of formal transformations. // Journal of Siberian Federal Universit. Mathematics and Physics. 2021. Т. 14. № 5. С. 584-588.
11. Nasonov D., Raevsky V., Ilichev V., Volkhonskaya A. Methodology of error measurements reduction while determining integrated errors of satellite nodes of planetary gears. / В сборнике: Proceedings of the 52th International JVE Conference in St. Petersburg. 2021. С. 90-94.
12. Yesmagambet N.A., Omarov A.S. Research and development of deployable solar tracking system in solidworks for multiple tasks. // Bulletin of the Karaganda University. Mathematics Series. 2018. № 1 (89). С. 121-125.
