Расчет суммарных газодинамических характеристик компрессоров по идентифицированной модели с использованием CFD-технологий

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

В настоящей работе рассмотрены вопросы по идентификации одномерных газодинамических характеристик по результатам расчета характеристик ступеней с использованием CFD — технологий. Объектом исследования является компрессор изделия GT25000 спроектированный и изготовленный ГП НПКГ «Зоря"-"Машпроект». Разработанные и описанные в статье методы позволяют получить полноразмерные суммарные газодинамические характеристики компрессора при малых затратах вычислительного времени
Ключевые слова: компрессор, расход, теоретический напор, КПД
Issues related identification of 1-D gas dynamic characteristics based on stage mapping using CFD technologies are addressed in this paper. Compressor of GT25000 gas turbine engine developed and manufactured at «Zorya"-"Mashproekt» SC GTRPC is taken as a test object. Methods developed and described in this paper enable to obtain full scale total gas dynamic compressor characteristics at low processing time
Keywords: the compressor, the charge, a theoretical pressure, EFFICIENCY
УДК 621. 51:533. 6
РАСЧЕТ СУММАРНЫХ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОМПРЕССОРОВ ПО ИДЕНТИФИЦИРОВАННОЙ МОДЕЛИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ CFD-ТЕХНОЛОГИЙ
В.Е. С п и цы н
Кандидат технических наук, главный конструктор ГП НПКГ «Зоря"-"Машпроект» Директор
ЦНИОКР «Зоря"-"Машпроект» Контактный тел.: 8 (0512) 22-13-48 Е-mail: ves@mashproekt. nikolaev. ua М. А. Шаровский Начальник*
Контактный тел.: 38 (0512) 49-76-74 Е-mail: spe@mashproekt. nikolaev. ua А. В. Ивченко Ведущий специалист* Контактный тел.: 8 (0512) 49-76-74 Е-!^!: spe@mashproekt. nikolaev. ua Е. А. Токарева Ведущий специалист* Контактный тел.: 8 (0512) 49-76-74 Е-!^!: spe@mashproekt. nikolaev. ua М. Ю. Шелковский Инженер*
Контактный тел.: 8 (0512) 49-76-74 Е-!^!: spe@mashproekt. nikolaev. ua *Сектор газодинамики Отдел компрессоров ЦНИОКР «Зоря"-"Машпроект»
1. Введение
С целью получения расчетных суммарных газодинамических характеристик компрессора в широком диапазоне часто используется идентификация газодинамических характеристик ступеней по моделям газо-
динамических характеристик, полученных более сложными, как расчетными, так и экспериментальными методами. В настоящей работе идентификация одномерных газодинамических характеристик выполнена по результатам расчета характеристик ступеней с использованием программного комплекса ANSYS СFX.
Восточно-Европейский журнал передовым технологий
Течение в проточной части современного компрессора имеет чрезвычайно сложный пространственный характер.
Связано это в первую очередь с конструктивными и газодинамическими особенностями лопаточных аппаратов. В последнее время наметилась тенденция перехода от традиционного квазидвухмерного метода расчета к моделированию течения в трехмерной постановке.
Математическая формулировка моделей основана на трехмерных уравнениях Навье — Стокса, осредненных по Рейнольдсу — Фавру. Одной из таких моделей есть модель программного комплекса Л^-YS CFX, которая использовалась в представленных расчетах.
2. Построение расчетной модели для исследования и результаты расчета суммарных характеристик компрессоров, а также характеристик отдельных ступеней


Л
?
А () ф Щ1
ГИРЬ (спертент у / г
/ / / / X/.:
/ С щ ¦ИИ
/ (• • у. '-. '- М& gt-7%

о.


о.5 о. б ол о. в о.я 1. о и и а
щ-^Экспериментальные данные о- -ОРасчет лоШУ5& amp-Х
Рис. 1. Суммарная газодинамическая характеристика КНД на номинальных режимах
С целью проверки суммарных газодинамических характеристик компрессоров низкого (КНД) и высокого (КВД) давления изделия GT25000 выполнены газодинамические расчеты компрессоров с помощью программного комплекса ANSYS СFX.
Для создания расчетной области использовалась импортированная из CFX TurboGrid расчетная сетка для каждого венца. Общее количество ячеек для чистового расчета взято 150 000^180000 для лопатки рабочего колеса и 150 000-^160 000 для лопатки направляющего аппарата.
При формировании расчетной модели учитывалось влияние радиальных зазоров по рабочим лопаткам компрессора и отборов-подводов воздуха из проточной части на течение газа в компрессоре, учитывалось влияние антипомпажной камеры, находящейся над рабочим колесом нулевой ступени КНД. Для определения суммарных газодинамических характеристик КНД сформированы две расчетные модели: — модель с углами установки поворотных направляющих аппаратов на «плюс» (номинальные режимы работы) — и модель с углами установки поворотных направляющих аппаратов на «минус» (пусковые режимы работы).
В расчетной модели КВД также учитывались постоянные отборы воздуха на охлаждение (3,5% от Gфиз из-за пятой ступени).
Расчеты выполнены на режимах ппр = 0,6−0,8−1,0−1,1 по пять точек на каждой изодроме для каждого варианта расчетной модели.
Результаты расчета суммарной газодинамической характеристики КНД
= f1(Gвпр, ппрХ
ЛкХ = f2(Gвпр, Ппр)
с углами установки поворотных направляющих лопаток на «плюс» и на «минус» представлены на рис. 1 и рис. 2, а на рис. 3 представлена суммарная газодинамическая характеристика КВД изделия GT25000 с расчетными и экспериментальными данными.
Рис. 2. Суммарная газодинамическая характеристика КНД на пусковых режимах
К 6. 0

ь
? / / -& gt-
Л / / п —
Л у / ь
Ж Л / '-л к О
% 5 Г & gt-" 1 Ф
ч •067
6 о Ы $
/ э (c)'-'- м
п. аб
0.3 Ш 8,5 О$ 07
0.9 10 1.1 ц
я па резушпатап эксперимента Грйннца устойчиббё рвдшы по /. '-. :•'-'-¦,. '-•-• .п, А. /А. после идентификации шраг. терустш ступеней па росчетрн & amp-Х з Зьснертентальные данные о- -й Расчет оо А№У5 ЕРХ
Рис. 3 Суммарная газодинамическая характеристика КВД
Расчетные характеристики по идентифицированной модели, трехмерному расчету и экспериментальным данным отдельных ступеней КНД и КВД в виде зависимостей Над С1а) и п^ = f4(С1а) представлены на рисунках 4 и 5. По результатам трехмерного расчета по отдельным ступеням получено недополучение напора от 2% до 9% по сравнению с экспериментальными характеристиками [3].
Характеристика 0 ступени КНД
0. ?
Я
0,3
0. 2
& amp- 4 о з о Г) о & lt->- Ф0
¦---
Л г *

А, А 4 х & gt-С ¦ ¦ *
4 к * X
0,3
характеристик компрессора, как по расчетным суммарным характеристикам, так и по характеристикам ступеней, но предпочтение отдавалось эксперименту. С другой стороны применение идентифицированных характеристик в одномерных моделях позволяет получить достаточно много точек на суммарных газодинамических характеристиках при малых затратах вычислительного времени.
Для получения суммарных характеристик компрессора выполнена идентификация характеристик ступеней с помощью одномерной расчетной модели [1] [2].
0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0. 3
0,32
0,34
0,36 0,38
С'-а отн
0,4
0,42
0,44
¦---Пай экспьртм • ПлН 1 0 ¦ Нас!1,1 4 Нас! 0,8 -¦- На й тНгр X Had0. fi
О крй1.0 О кр4 1.1 д кр0.8 -В-крй Ж крйО. б — -кр[1 эксперт. :
4. Основные положения
методики расчета характеристик ступеней по идентифицированной модели
В качестве безразмерных комплексов при изучении характеристик ступени используются величина коэффициента расхода:
Рис. 4. Характеристика «нулевой» ступени КНД
г — Гь
Г — и
(4. 1)
Характеристика 1 ступени
0,4
0,2
0,1
--
А Д, А ^ Ж --
¦ --
Н # * «¦- -

-
0,32
0,37
0,42
0,47
0,52
1
0,95
0,9
0,85
0,8
0,75:
0,7 & quot-
0,65
0,6
0,55
0,5
¦ Найпр • СЕХ_На& lt-1 ¦ Над_ ндентнф х ц-1.1 + 11=0,6 ¦ п=0,8 -О-п=1,07
¦ КПД_15р, а СРХКПД -КПД_ндентиф ж кпд 1.1 = кпд 0,6 А кпд 0,8 ж нщ 1,07
Рис. 5. Характеристика первой ступени КВД
и коэффициент теоретического напора (или адиабатического
Н = Нт п У
ад 1 1ад }•
Н — Нт
Нт — и2
(4. 2)
3. Задача идентификации характеристик ступеней компрессора
Для получения расчетных газодинамических характеристик ступеней компрессора используется идентификация этих характеристик с целью получения наиболее достоверных суммарных газодинамических
Подход к определению зависимости Нт С1а У при одномерных моделях описан
в [1].
При обработке экспериментальных данных по замерам избыточного полного давления и температуры на входе и выходе из ступени использовался аналогичный подход для определения безразмерных величин
— коэффициента расхода:
12К *
_ V ¦ ^(«Л уК+1'-8'-Я
с =
а Ч к
(4. 3)
(ид к
коэффициента адиабатического напора ступени:
ии Г1 _. 1-е>- г. "-. п г
(Надк =
№ К -1
К. к (Т*)
-З^ЧМцк--
РК-1
& quot-ЁК — 1
(Цк)?к
(4. 4),
адиабатический КПД ступени:
(Пад)пк _
(Т^к '-[(п), кК -1]
дт
(4. 5)
где 1 — номер дросселя-
j — номер замера на i- ом дросселе-
к — номер ступени-
К — показатель адиабаты.
Для расчета характеристик и согласования их с экспериментальными, в методике предусмотрен ввод поправочных коэффициентов, варьируя которыми, можно добиваться идентификации расчетной характеристики компрессора и экспериментальной, или расчетной, полученной по трехмерной модели CFX с учетом вязкости.
Основными из этих коэффициентов являются:
— коэффициент изменения теоретического напора:
Н-т-
Кн = ^
н
Статистические безразмерные зависимости границы устойчивой работы компрессора, представленные
G & lt- -1
в координатах --, _*-- (рис. 8), были получены в
результате осреднения экспериментальных точек, снятых на границах устойчивой работы различных двигателей. За единицу была принята точка на расчетных оборотах п =1,0, находящаяся на границе устойчивой работы.
Основными критериями оценки срыва рабочих колес были выбраны
— диффузорность входного участка решетки:
ЧЛ

ЧЛ /

(5. 1)
где
Ае
/
(4. 6)
(^1РК)
2
±(В'-& quot-1"-)& quot-?
^ + 4 ¦[ зт 6рк
Ь1
тического напора на определенном режиме, а НТэ экспериментальный коэффициент теоретического напора (расчетный по CFX) на этом же режиме-
— коэффициент изменения наклона напорной характеристики: Ь
к =

(4. 7)
5. Определение границы устойчивой работы для идентифицированной модели
Граница устойчивой работы идентифицированной модели компрессора высокого давления проведена с помощью статистических кривых относительно пом-пажной точки на номинальной частоте вращения.

f
/ о

/
& gt-

. V- Г & lt-- о
ч
¦
**
5,


0. 55 0. 60 0. 65 0. 70 0. 75 0. 80 0. 85 0. 90 0. 95 (00 1. 05 (Ю (15 (20 (25 О — КНО, а — КВД, статистические значения критерия
05 ив (15 Аг/А1 I Расчетные значения критерия
2^т
(9ркХ 2
0,62 ¦(Стрк)-^-1-
— коэффициент диффузорности по Либляйну:

W1

х Са & quot-иК ¦ С1 ¦ Гср1 — С2и ¦2 ¦2 — в
X-----Б1П в1
С2аиК ¦ Гср1
(5. 3)
При расчете компрессора по одномерной модели определялись вышеперечисленные критерии в точке на границе устойчивой работы компрессора на номинальной изодроме.
Рис. 6. Зависимость диффузорности входного участка решетки от Аг/А1 от приведенной скорости
Рис. 7. Зависимость коэффициента диффузорности по Либляйну Dw при различных значениях.

1
2
2
2
г
где: Нт расчетный коэффициент теоре-
1
1
+
X
2
t
Для определения статистической границы срыва компрессора при п =1,0 по параметрам Аг/А8() и Dw=) использовались данные из [3] (рис. 6 и
7), при этом предпочтение отдавалось зависимости Ар/А^^ Хж1). Граница запирания взята из [1]. Значения параметров на границе срыва компрессоров были получены обобщением экспериментальных данных на номинальных и пусковых режимах, а затем результаты осреднены методом геометрического осреднения.
Положение границы устойчивой работы в координатах G, & quot-Кк, на идентифицированной модели определялось пересчетом статистических данных на текущее значение:
6. Выводы
G = - ¦ Gн G н
л
* / пк -1
П к = (& quot-Т^Т & quot-Псгр
п. «» -1
) +1
(5. 4)
(5. 5)

1 / Л
У


Ш '-мин К& quot-'- '-л кнм-/ тс& quot-
V / 1

1. Для КНД расчет газодинамических характеристик по CFX показал высокую точность (до 1%) по напору и оборотности для номинальных режимов.
2. Для пусковых режимов КНД расчет газодинамических характеристик по трехмерным моделям дает низкую точность (до 10%).
3. Следует отметить, что расчетная граница устойчивости компрессоров КНД и КВД по CFX определялась по наличию сходимости процесса решения и результаты противоречивы.
4. Суммарные газодинамические характеристики компрессора высокого давления, как и в случае газодинамических характеристик полученных по CFX, имеют более высокие обороты в каждой точке и пониженные запасы устойчивости по сравнению с серийными суммарными газодинамическими характеристиками КВД GT25000 [3] на 5%.
5. По результатам трехмерного расчета КВД по отдельным ступеням получено недополучение напора от 2% до 9% по сравнению с экспериментальными характеристиками.
Рис. 8. Статистические безразмерные зависимости границы устойчивой работы компрессора
Литература
Холщевников К. В., Емин О. Н., Митрохин В. Т. Теория и расчет авиационных лопаточных машин. М.: & quot-Машиностроение"-.- 1986.- с. 432.
Гельмедов Ф. Ш., Милешин В. И., Сачкова Н. Г., Сальников В. С., Талызина В. С. Методология проектирования осевого компрессора. Теплоэнергетика. — № 9. — 2002. Газодинамический расчет двухкаскадного компрессора двигателя СТ25 000. Технический отчет. Методика оценки положения границы устойчивой работы компрессоров, обработки статистических данных по критериям устойчивости КНД и КВД. Технический отчет.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой