Ракетно-космическая техника и технология 2015. тез. докл. Российской науч.- техн. конф., посвященной 50-летию первого запуска РН «Протон» 16 июля 1965 года. Федеральное космическое агентство

У каждого типа сетки есть свои преимущества и недостатки. По качеству сетки будет определяться достоверность решения поставленной задачи, её качество определяется оптимальным количеством элементов.Далее идет задание граничных условий на расчетной сетке (рис 2). Параметры входа и выхода для потока, приграничные слои, шероховатость стенок Точность задания этих условий также влияет на правильность решения. Выбираем расчетные параметры.

Рис. 2. CFX-PRE задание граничных условий

Следующим шагом идет расчет.

Методомдискретизации управляющих уравнений, рассчитывают необходимые параметры. Этот метод использует элементы сетки. Управляющие уравнения объединены по каждому объему, таким образом, что соответствующие величины (масса, импульс, энергия, и т.д.) сохранены в дискретном смысле для каждого объема.В решателе идет процесс решения дифференциальных уравнений путем итерации, и мы можем увидеть, на каком шаге произойдет схождение параметров.

Третий шаг - получение наглядной картины распределения физических параметров, полученных в результате расчета. При получении явно неверного решения вносим корректировки в нашу модель и процесс повторяется.

10

Очевидно, что для проектирования жидкостных ракетных двигателей программный комплекс ANSYS необходим в плане расчетапотоков газов и жидкостей, газогидродинамических расчетов в трубопроводах, турбинах, насосных агрегатах и т.д.Можно наблюдать текущие процессы в камере сгорания, в критическом сечении, в сопле, смоделировать смесеобразования и горение в камере сгорания, быстрый расчет потерь на трение во всем агрегате, наблюдение температуры в двигателе, для предотвращения перегрева или возгорания агрегата, позволяет увидетьнедочеты конструкции, исправить их, а также спрогнозировать энергетические характеристики агрегата.

Вследствие этого, неудивительно, что программный комплекс ANSYS CFX нашел широкое применение при расчете ЖРД, позволяющий упростить и ускорить этапы производства, повысить эффективность. Таким образом, умение обращаться с ПО является необходимостью для инженера-конструктора.

Литература

1.ANSYS CFX Version 15.0 Documentation, 2015.

2.Введение в численные методы вычислительной гидроаэродинамики, /И.И.Морозов, А.С. Ляскин. Самара, 2011. 150с.

УДК 629.7.036.54-63

ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИКЛИЧЕСКОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ РАБОЧЕГО КОЛЕСА ТУРБИНЫДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

А.В.Горохова, КБХА, инженер, тел.(473) 234-65-67

А.В.Иванов, КБХА, главный конструктор, д-р техн.наук

В работе приводятся результаты расчетного исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) рабочего колеса турбины ДУ с учетом высокотемпературного нестационарного

11

нагружения, а также рассмотрен вопрос о прогнозировании циклической долговечности.

Рассмотрена нестационарная связная задача теплового и прочностного расчета в рамках циклического нагружения «запуск- работа-останов».

Рабочие колеса (РК) турбины относятся к одним из наиболее напряженных элементов ДУ. Сложность конструкции, особенности нагружения РК, в том числе и динамическими нагрузками, требуют детального анализа при выборе материалов и способа изготовления РК. При этом должны учитываться особенности НДС конструкции в зонах основного и покрывного дисков, ступицы колеса и рабочих лопаток, особенно на входе в РК.

При оценке кратковременной и длительной статической прочности элементов конструкций, а также при оценке циклической долговечности и ресурса во внимание должны быть приняты такие проблемы как длительная прочность материала и его ползучесть, многоцикловая усталость материала (МнЦУ) и малоцикловая усталость материала (МЦУ). При оценке работоспособности элементов конструкций во внимание принимается также механика разрушения, позволяющая установить живучесть конструкции при наличии первичного или приобретенного дефекта типа трещины.

Прогнозирование долговечности и ресурса может оказать также определенную помощь при выборе оптимальной комбинации необходимых характеристик ДУ, обосновании работоспособности, надёжности, массы и других параметров. Кроме того, прогнозирование долговечности и ресурса может оказаться полезным при оценке различных вариантов, при анализе и истолковании результатов испытаний ДУ и их элементов, причем в данном случае методы прогнозирования могут рассматриваться как средство снижения затрат на проведение испытаний двигателей. Долговечность и ресурс ДУ зависят от многих факторов, но в первую очередь здесь следует отметить режим работы и, соответственно, напряженно-деформированное состояние отдельных конструктивных элементов[1].

При определении долговечности по кривым малоцикловой усталости используются: при одноосном напряженном состоянии детали – значения размахов действующих напряжений (деформаций) и средние напряжения цикла, а при сложном

12

напряженном состоянии значения интенсивности размахов главных напряжений и деформаций в опасной точке детали и значения среднего напряжения.

При циклическом нагружении конструкций в зависимости от свойств металла и температуры сопротивление упругопластическим деформациям, при их наличии в зонах концентрации напряжений, может увеличиваться, уменьшаться или оставаться постоянными[2].

Следует отметить, что повреждаемость рабочих лопаток турбины весьма чувствительна к повышению температуры. Уже при повышении температуры на 100-200К число циклов до образования трещин существенно уменьшится, причем важную роль здесь играет статическая прочность лопатки в зоне концентрации напряжений[3].

Решена нестационарная связанная задача определения теплового и напряженно-деформированного состояния в упругопластической постановке.

Задача расчета температурного поля лопатки решалась в трех мерной постановке. Граничные условия задавались в виде условий III-го рода: температуры рабочего газа и коэффициентов теплообмена между рабочим телом и различными участками профиля лопатки и диска турбины как функции времени. Для определения основных характеристик напряженнодеформированного состояния рабочего колеса турбины проведен расчет шести последовательных циклов нагружения типа «запуск- работа-останов».

В качестве типового расчетного цикла принят цикл:

- запуск и максимальный рабочий режим (n =25000 об/мин) 5,5

с;

-останов в течение 5 с;

-выдержка 30 св выключенном состоянии перед началом следующего цикла. Один полный цикл работы 40,5 с.

Анализ результатов расчета позволил проследить динамику нагружения турбины. Результаты позволяют получить основные параметры напряженно-деформированного состояния конструкции

ивид деформированного состояния в заданный момент времени на заданном цикле нагружения.

Решение такого класса задач дает возможность определения основных параметров напряженно-деформированного состояния

13

для нестационарной связной задачи теплового и прочностного расчета в рамках циклического нагружения «запуск-работа- останов» для заданного момента времени. Наряду с этим расчет дает возможность выявить критические места и на основе полученных параметров НДС сделать прогноз о долговечности конструкции.

Литература

1.Напряженно-деформированные состояния ЖРД / Под ред. Махутова Н.А., Рачука В.С.– М.: Наука, 2013.

2.И.В.Демьянушко, И.А.Биргер. Расчет на прочность вращающихся дисков. М.: Машиностроение, 1978

3.Термопрочность деталей машин. Под ред. И. А. Биргера, Б. Ф. Шорра. М.: «Машиностроение», 1975 г., 455 с.

УДК 629.76

ПРИМЕНЕНИЕ ANSYSFLUENT

ДЛЯ МОДЕЛИЛОВАНИЯ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ЖРД

М.С. Проняев, студент группы РД-121 Д.С. Серяпина, студент группы РД-121

Д.П. Шматов,ВГТУ,канд.техн.наук, доц., тел. +7(910)-349-6266

В работе изучается программный комплекс ANSYS и анализируется модуль вычислительной гидрогазодинамикиFLUENT применяемый для совершенствования процесса производства жидкостных ракетных двигателей, а также излагается основа работы модуля FLUENT и его применение в моделировании.

ANSYSЭто универсальный, "тяжелый" конечноэлементный пакет, предназначенный для решения в единой среде на одной и той же конечно-элементной модели задач по прочности, типовому электромагнетизму, гидрогазодинамике, многодисциплинарного связанного анализа и оптимизации на основе всех выше приведенных типов анализа. Программа успешно используется в авиационной и космической технике при моделировании устройств разной сложности и позволяет на ранних этапах проектирования

14

выявить недостатки, исправить их и подобрать наиболее рентабельное решение конструкторской задачи.

FLUENTПрограммный модуль ANSYS имеет широкий спектр возможностей моделирования течений жидкостей и газов для промышленных задач с учетом турбулентности, теплообмена, химических реакций. Позволяет решать такие задачи, как: течения жидкостей и газов в каналах произвольной формы, внешнего обтекания, теплопередачи (вынужденная и свободная конвекция, теплопередача и лучистый теплообмен),течения со свободными поверхностями, течения многофазных сред, течения реагирующих потоков, включая горение, движения твердых частиц и капель жидкости в потоке, изменения фазового состояния вещества (плавление, кипение, кристаллизация, испарение, кавитация, течения в движущихся каналах (например, в смесительных устройствах и турбомашинах), моделирования течения в каналах с меняющейся в процессе решения геометрией (например, в цилиндрах ДВС), акустики. Программа Fluent позволяет решать двухмерные, осесимметричные и трехмерные задачи в стационарной или нестационарной постановках в большом диапазоне скоростей потока. Течение рабочего тела может рассматриваться как невязкое, ламинарное или турбулентное.

ANSYS FLUENT - это удобный, отказоустойчивый инструмент, позволяющий даже новичкам достигать высокой производительности труда (рис.1.).

Рис.1.Рабочая область Fluent

15

Интеграция модуля ANSYS FLUENT в рабочую среду ANSYS Workbench, а также возможность использования модуля ANSYS CFD-Post для обработки результатов создает комплексное решение для выполнения инженерного анализа в области моделирования течений жидкостей и газов.

Типичный процесс исследования потока с помощью программного комплекса Fluent показан на блок-схеме (рис. 2).

Первые три этапа решения задачи выполняются модулями

ANSYS (DesignModeler, ANSYSMeshing), являющимися составной частью программного комплекса. Остальные этапы реализуются непосредственно в программе Fluent.

Программный комплекс Fluent использует неструктурированную сеточную технологию. Это значит, что он может решать задачи на конечно-элементных сетках, состоящих из элементов разнообразной формы: шестиугольников, четырехугольников и треугольников, гексэдеров и тетраэдеров, призм, пирамид и др.

Рис. 2. Этапы решения газодинамических задач в программном комплексе Fluent

16

Конечно-элементная сетка может адаптироваться (сгущаться или укрупняться) по результатам расчета. Это позволяет получить более точное решение для областей с большими градиентами параметров потока, например, для пограничных слоев и скачков уплотнения. Указанная возможность снижает требования к качеству сетки, сокращает время ее создания и проведения расчета, а также позволяет снизить объем оперативной памяти.

Программа Fluent обладает большой базой данных свойств рабочих тел, которая включает в себя сведения о жидкостях, газах и твердых телах. Она может быть расширена за счет пользовательских баз. Параметры рабочего тела в расчете могут быть как постоянными, так и меняться в зависимости от параметров потока.

Программный комплекс использует для решения метод конечных объемов и позволяет проводить решение задач с помощью одного из трех алгоритмов:

неявного алгоритма PressureBased (в российской литературе его называют алгоритмом установления);

явного алгоритма DensityBased (в российской литературе - алгоритм расщепления);

неявного алгоритма DensityBased.

Решатель программного комплекса позволяет проводить решение на вложенных сетках. Исходные уравнения могут быть дискретизированы по первому, второму или частично третьему порядку точности. Решение может быть распараллелено и осуществляться на нескольких процессорах.

Во Fluent включены различные физические модели таких процессов, как: теплопередача, фазовые переходы, кавитация и др.

В программном комплексе доступны следующие модели турбулентности: Рейнольдса, Спаларта - Аламарса, k- ,k- , V2F, LES, DES. Повышение точности моделирования пограничных слоев достигается за счет использования пристеночных функций.

Программа Fluent позволяет использовать большое количество граничных условий на входе и выходе из расчетной области, моделировать подвижные стенки каналов.

В программе реализованы широкие возможности визуализации результатов решения. Возможно, построение полей распределения

17

параметров потока, векторов, линий тока, создание анимации, управление отображением модели и т.п. Результаты могут быть представлены в виде графиков, текстовых файлов или интегральных значений параметров.

Программный модуль ANSYS нашел широкое применение в космической технике. К примерам применения FLUENT можно отнести задачи обтекания крыла, горение в камере сгорания жидкостного ракетного двигателя, прогнозирование энергетических характеристик центробежного насоса, проведение планируемого вычислительного эксперимента для оптимизации проточной части центробежного насоса. Моделирование смесеобразования и горения в камере сгорания ЖРД. Моделирование места положения утечки в нефтепровод, специализированные модели горения, аэроакустики, вращающихся/неподвижных расчетных областей, многофазных течений. С его помощью решаются инженерные задачи разной сложности, значительно упрощается процесс создания ЖРД.

Литература

1.ANSYS CFX Version 15.0 Documentation 2015

2.Ресурсы Интернет (http://www.cae-expert.ru/product/ansys-

fluent).

УДК 518.5:629.7.036.54-63

ИМИТАЦИОННОЕ 3D-МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ ГАЗА В БЕЗЛОПАТОЧНОМ НАПРАВЛЯЮЩЕМ АППАРАТЕ МАЛОРАЗМЕРНОЙ ОСЕВОЙ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ

Д.В. Боровков, КБХА, инженер-конструктор, тел. (473) 234-64-96 Ю.В. Демьяненко, КБХА, начальник отдела, д-р техн. наук, проф.,

тел. (473) 234-64-96

В статье 2001 г [1] рассмотрены преимущества и недостатки безлопаточных направляющих аппаратов (БлНА), применяемых в турбинах турбонасосных агрегатов (ТНА) жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Изложен опыт применения в конструкторском бюро химавтоматики (КБХА) БлНА в турбинах, работающих на

18

окислительном газе. Приведены основные параметры турбин с БлНА, разработанных в КБХА. Среди присущих БлНА недостатков названо отсутствие надежных инженерных методик расчета и профилирования БлНА, приводящее в отдельных случаях к тому, что действительный расход газа через турбину заметно отличается (в бόльшую или меньшую сторону) от расчетного значения.

Развитие вычислительнойгидрогазодинамики (CFD) и компьютерных технологий позволяет устранить указанный недостаток. Современные программные CFD комплексы (в частности ANSYSCFX, применяемый для CFD расчетов в КБХА) предоставляют возможность выполнять при проектировании и анализе существующих конструкций значительно больший объем расчетов. Решение пространственной задачи течения газа в БлНА позволяет получать не только интегральные, но и локальные значения параметров проточной части, моделировать рабочие процессы с большей точностью, чем при использовании традиционных расчетных методик [2]. Полученное в результате пространственного CFD расчета распределение параметров потока в БлНА позволяет оценить совершенство его проектирования, выявить слабые места рассматриваемой конструкции и определить мероприятия для устранения недостатков и, следовательно, улучшения характеристик турбины.

Цель данного имитационного моделирования – получение методом CFD интегральных значений и распределения основных характеристик БлНА – угла потока 1 и скорости потока на выходе С1, валидация и верификация расчетной модели БлНА, выводы о применимости выбранного инструмента (ANSYSCFX) для решения данной конкретной задачи.

РассматриваемыйБлНА является частью корпуса турбины ТНА, выполненного заодно с корпусом насоса.

По рабочим чертежам в среде SolidWorks создана пространственная модель корпуса турбины ТНА. Общий вид модели представлен на рис. 1, разрез – на рис. 2.

При построении таких сложных моделей целесообразно пользоваться не твердотельными, а поверхностными инструментами. После построения и доработки всех поверхностей осуществляется сшивка их в твердое тело. Желательно, чтобы меридиональные сечения БлНА состояли из одинакового

19