Методика чисельного моделювання робочого процесу в осьових ступенях турбомашин

Постановка задачі та формування вихідних даних

На этом этапе определяется геометрия области течения рабочего тела в межлопаточных каналах. Определяются протяженности входных и выходных участков лопаточных венцов, а также определяются границы расчетной области и расчетные параметры.

Исходные данные для построения расчетной области выбираются на базе геометрии меридионального сечения исследуемой ступени, представленной в виде чертежа (рис. 1).

Рис. 1. Меридиональное сечении моделируемой ступени

Расчетная модель

Рис. 2. Расчетная модель меридионалного сечения ступени

В модуле ANSYS CFX-Pre предлагется три типа входных и выходних условий:

• P-Total Inlet – P-static Outlet (повний тиск на вході та статичний тиск на виході);

• P-Total Inlet – Mass Flow Outlet (повний тиск на вході та масова витрата на виході);

• Mass Flow Inlet – P-static Outlet (масова витрата на вході та статичний тиск на виході).

В даній роботі розрахунок потрібно проводити за схемою P-Total Inlet – Mass Flow Outlet з завданням повного тиску на вході та масової витрати на виході (відповідно до табл. 1).

Таблиця 1. Вихідні дані для розрахунку ступеня

P-Total	101325 Pa
T-Total	288 K
Flow Direction	Normal to Boundary (перпендикулярно до границі)
Mass Flow Outlet	kg/s, (відповідно до варіанту)
Rotating speed	rev/min (відповідно до варіанту)

Частота вращения ротора вычисляется исходя из окужной скорости на конце лопатки ротора по формуле

,

де - частота обертання; - периферійна швидкість; - кінцевий діаметр

Опис геометрії та створення розрахункової моделі

В курсовій роботі для опису розрахункової області та побудови сітки кінцевих елементів використовується программа ANSYS TurboGrid. Але TurboGrid не имеет собственных инструментов для построения элементов геометрии, поскольку позиционируется именно как специализированный генератор сеток конечных элементов. Создание геометрии же редполагается выполнять в других программах из Turbo-линейки Ansys, например, Blade Modeler (Blade Gen). Однако если нужно произвести расчѐт уже имеющейся конструкции, то необходимо информацию о еѐ геометрии преобразовать во входной формат TurboGrid, т.е. представить турбомашину как набор основных элементов, заданных координатами.

Рис. 3. Овновні елементи розрахункової області лопаткового вінця

Такими элементами являются (рис. 3):

- поверхность лопатки, задается набором профилей;

- втулочная поверхность, задается еѐ меридиональным сечением;

- периферийная поверхность, задается аналогично.

Задание координаты выполняется в текстовых файлах с расширением *.curve.

Таким образом необходимо последовательно сформировать текстовые файлы с описаним геометри для каждого лопаточного венца.

Вначале из чертежа проточной части ступени (рис. 1) формируются текстове файлы hub.curve и shroud.curve (табл. 2, рис. 4 и 5) с координатами точек меридионального и втулосчного обводов лопаточных венцов.

Таблиця 2. Координати втулкового та периферійного обводів лопаткових вінців ВНА, РК, НА (приклад)

hub_VNA.curve (координати втулки ВНА)					shroud_VNA.curve (координати периферії ВНА)
№	X	Y	Z		№	X	Y	Z
1	0	150.0	-93.45		1	0	300.0	-93.45
2	0	150.0	-60.97		2	0	300.0	-60.97
3	0	150.0	-28.5		3	0	300.0	-28.5
hub_RK.curve (координати втулки РК)					shroud_RK.curve (координати периферії РК)
№	X	Y	Z		№	X	Y	Z
1	0	150.0	-28.5		1	0	300	-28.5
2	0	150.0	-20.5		2	0	300	-20.5
3	0	152.4	0.66		3	0	300	0.66
4	0	154.8	10.6		4	0	300	10.6
5	0	158.0	20.3		5	0	300	20.3
6	0	160.0	25.9		6	0	300	25.9
7	0	162.4	32.2		7	0	300	32.2
hub_NA.curve (координати втулки НА)					shroud_NA.curve (координати периферії НА)
1	0	162.4	32.2		1	0	300	32.2
2	0	170.5	50.2		2	0	300	50.2
3	0	177.1	64.1		3	0	300	64.1
4	0	180.0	76.3		4	0	300	76.3
5	0	180.0	128.7		5	0	300	128.7

Рис. 4. Вид файлу hub_VNA.curve, в якому описаний втулковий об­від лопаткового вінця ВНА в програ­мі Блокнот	Рис. 5. Вид файлу shroud_VNA.curve, в якому описаний периферійний об­від лопаткового вінця ВНА в програ­мі Блокнот

Затем из газодинамического расчета виписываются и сводятся в таблицы (табл. 3, 4, 5) основные геометрические параметры лопаточных венцов по сечениям (рис. 6, 7, 8).

Вхідний напрямний апарат

Загальна кількість лопаток – 38

а	б
Рис. 6. Вхідний напрямний апарат ступеня осьового компресора: а – плоский переріз; б - об’ємний вид вхідного напрямного апарата

Таблиця 3. Геометричні параметри лопаток ВНА ступеня осьового компресора

переріз	1	2	3	4
параметр
1	2	3	4	5
	0,973	0,84	0,707	0,573
	0,06	0,06	0,06	0,06
b, мм	45	45	45	45
	1,072	0,926	0,78	0,632
γ,	80,53	82,76	85,00	87,23
,	86	87,22	88,29	89,36
,	112,791	107,252	101,713	96,174

Робоче колесо

Загальна кількість лопаток – 49

а	б

Рис. 7. Робоче колесо осьового компресора:

а - плоский переріз; б - об’ємний вид робочого колеса

Таблиця 4. Геометричні параметри лопаток робочого колеса ступеня осьового компресора

переріз	1	2	3	4	5	6	7
параметр
1	2	3	4	5	6	7	8
	1,0	0,92	0,84	0,76	0,68	0,6	0,547
	0,04	0,046	0,053	0,062	0,071	0,083	0,092
b, мм	40	41,8	43,5	45,3	47,1	48,8	50
	0,96	0,84	0,74	0,64	0,55	0,47	0,42
γ,	40,76	46,86	52,55	58,83	65,71	73,01	80,38
,	32,38	35,19	37,83	40,32	42,64	44,81	46,81
,	49,66	57,78	67,08	77,51	88,94	101,26	114,38

Напрямний апарат

Загальна кількість лопаток – 54

а)	б)

Рис. 8. Напрямний апарат осьового компресора:

а - плоский переріз; б - об’ємний вид напрямного апарату

Таблиця 5. Геометричні параметри лопаток НА ступеня осьового компресора

переріз	1	2	3	4	5
параметр
1	2	3	4	5	6
	0,947	0,867	0,787	0,707	0,627
	0,0582	0,0549	0,0516	0,0482	0,0448
b, мм	45	45	45	45	45
	0,735	0,673	0,614	0,548	0,486
γ,	54,5	58,43	60,63	62,06	63,81
,	34,42	39,02	41,29	38,11	32,89
,	69,38	74,44	82,05	89,65	94,72

Исходя из геометрических параметров лопаточных венцов необходимо спрофилировать лопатки ВНА, РК и НА в трех – пяти сечениях и создать текстовые файлы с координатами точек профилей по сечениям для каждого венца.

Б)

А)

Рис. 9. Подготовка профиля лопатки для записи координат точек в файл

а) точки профиля и ориентация его вдоль оси вращения

б) расположение профилей относительно оси лопатки

Первым описывается втулочное сечение, затем расположенное выше и т.д. вплоть до периферийного.

Таблиця 6. Координати точок профілів ВНА :

# Profile 1 at 0.57 (профіль 1 на висоті 0,57)
№	X	Y	Z
1	-0.41	132.0	22.55
2	-0.28	132.0	22.66
3	0.19	132.0	17.82
...
# Profile 2 at 0.7 (профіль 2 на висоті 0,7)
№	X	Y	Z
1	0.75	212.0	-22.46
2	0.60	212.0	-22.54
3	0.24	212.0	-22.02
...
# Profile 3 at 0.84 (профіль 3 на висоті 0,84)
1	0.86	252.0	-22.58
2	0.59	252.0	-22.32
3	0.38	252.0	-21.50
...
# Profile 4 at 1.1 (профіль 4 на висоті 1,1)
1	-7.81	332.0	21.52
2	-6.49	332.0	19.49
3	-4.3	332.0	15.42
...