автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Математическая модель и пакет программ для численного анализа теплового состояния лопаток турбомашин на стадии их автоматизированного проектирования

Список основных обозначений и сокращений.

Введение.

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ ТЕПЛОВЫХ РАСЧЕТОВ ЛОПАТОК ТУРБО-МАШИН В ПРОЦЕССЕ ИХ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ.

1.1. Вопросы повышения точности расчетного прогнозирования теплового состояния лопаток на стадии их автоматизированного проектирования.

1.2. Способы охлаждения лопаток турбомашин.

1.3. Методы расчета процессов теплоотдачи от рабочего тела к лопатке.

1.3.1. Методы расчета процессов теплоотдачи от рабочего тела к лопатке на основе уравнений подобия.

1.3.2. Методы расчета пограничного слоя на поверхности лопатки и проблемы замыкания задачи для турбулентного течения.

1.3.3. Методы расчета структуры потока в межлопаточном канале турбомашин.

1.4. Методы расчета процессов теплоотдачи от лопатки к охладителю в системах охлаждения.

1.5. Методы расчета пространственного температурного поля лопатки с учетом зависимости теплофизических свойств материала от температуры.

1.6. Цель и задачи исследования.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ЛОПАТОК ТУРБОМАШИН.

2.1. Математическая формулировка задачи нестационарной теплопроводности для лопатки.

2.2. Математическая формулировка задачи расчета граничных условий на поверхностях лопатки.

2.2.1. Расчет граничных условий на основе уравнений подобия.

2.2.2. Математическая формулировка задачи расчета граничных условий на основе численного решения дифференциальных уравнений пограничного слоя.

2.3. Методика расчета граничных условий теплообмена на внутренней поверхности охлаждающих каналов.

ГЛАВА 3. ПАКЕТ ПРОГРАММ И БАЗА ДАННЫХ ДЛЯ АНАЛИЗА ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ЛОПАТОК.

3.1. Общая структура программного пакета.

3.2. Модуль генерации расчетной сетки лопатки.

3.3. Модуль расчета граничных условий теплообмена на поверхностях лопатки.

3.4. Базы данных по теплофизическим свойствам.

3.5. Модуль расчета теплового состояния лопатки.

3.6. Анализ достоверности полученных результатов.

3.6.1. Оценка погрешности полученных результатов.

3.6.2. Сопоставление результатов с литературными данными.

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ЛОПАТКИ С КОМБИНИРОВАННОЙ СИСТЕМОЙ ОХЛАЖДЕНИЯ.

4.1. Расчетные исследования эффективности завесы при пленочном охлаждении лопатки.

4.2. Результаты моделирования теплового состояния лопатки с пленочно-конвективной системой охлаждения.

Создание новых образцов техники с улучшенными характеристиками сопровождается широким использованием систем автоматизированного проектирования (САПР) и требует разработки специализированных программно-информационных комплексов, объединяющие в себе средства САПР и пакеты программ для проведения с высокой точностью сопутствующих расчетов. Одной из основных тенденций в турбостроении является повышение параметров рабочего тела перед турбиной. Это приводит к необходимости совершенствования систем охлаждения теплонагруженных элементов и увеличения точности прогнозирования их теплового состояния на стадии проектирования. К наиболее теплонагруженным элементам турбины относятся рабочие и сопловые лопатки. По оценке специалистов абсолютная погрешность расчетного прогнозирования температуры лопатки на стадии ее проектирования не должна превышать 20 - 30 К [93].

Отсутствие возможности получить достоверные данные по температурному состоянию теплонагруженных элементов турбомашин расчетным путем на этапе проектирования приводит к необходимости длительной и дорогостоящей экспериментальной доводки турбомашин в стендовых и промышленных условиях.

Современные коммерческие программные пакеты для инженерных расчетов, например, Ansys, DesignSpace, не обеспечивают требуемую точность расчетного прогнозирования теплового состояния лопаток. Это связано с тем, что в известных пакетах не представляется возможным учесть влияние на граничные условия теплообмена реального распределения температуры по поверхностям лопатки и ее изменения во времени, а также особенностей обменных процессов в межлопаточном канале.

Наличие пакета программ, позволяющего проводить с повышенной точностью численный анализ теплового состояния лопаток турбомашин на стадии их автоматизированного проектирования, позволяет сократить сроки экспериментальной доводки турбомашин, поэтому тема работы, направленная на реализацию этой возможности представляется актуальной.

Для реализации этой возможности в рамках диссертационной работы разработан интегрированный в систему автоматизированного проектирования SolidWorks пакет программ для детального анализа теплового состояния лопаток турбомашин, который позволяет проводить с повышенной точностью расчеты теплового состояния лопаток в процессе их автоматизированного проектирования. Разработан и реализован дифференциальный метод расчета граничных условий теплообмена в сопряженной постановке, отражающий основные особенности обменных процессов в пограничном слое корыта и спинки лопатки. Разработана и реализована в пакете модель турбулентного переноса, отражающая наличие на поверхностях лопатки участков с различными режимами течения и учитывающая влияние факторов нестационарности, продольного градиента давления, кривизны обтекаемой поверхности.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Математическая модель турбулентного переноса и методика расчета граничных условий теплообмена рабочего тела с поверхностью лопатки.

2. Оригинальные компоненты программно-информационного комплекса: интегрированный в систему автоматизированного проектирования SolidWorks пакет программ для детального расчета теплового состояния лопаток; модуль для численного интегрирования системы дифференциальных уравнений пограничного слоя на поверхностях корыта и спинки; электронные базы данных.

3. Результаты численного исследования эффективности пленочного охлаждения лопатки; результаты численного исследования теплового состояния лопатки с конвективно-пленочной системой охлаждения, полученные с помощью разработанного программного пакета.

Диссертация имеет следующую структуру.

В первой главе приведён обзор научно-технической информации о современных методах расчета температурного состояния лопаток турбомашин. Дан анализ особенностей теплообмена между потоком рабочего тела и лопаткой. Выполнен анализ существующих методик расчёта граничных условий теплообмена на поверхности лопаток. Показано, что в настоящее время отсутствуют интегрированные в САПР пакеты программ для прогнозирования с достаточной точностью теплового состояния лопаток турбомашин. Отмечено, что точность расчета граничных условий теплообмена (коэффициентов теплоотдачи и адиабатной температуры стенки) оказывает существенное влияние на точность прогнозирования теплового состояния лопаток. Влияние особенностей течения в межлопаточном канале на обменные процессы в пограничном слое может быть адекватно учтено путем использования дифференциальных методов расчета пограничного слоя.

Вторая глава посвящена математическому моделированию теплового состояния лопатки: моделированию тепловых процессов при взаимодействии потоков рабочего тела и охладителя с поверхностью лопатки; моделированию трехмерного нестационарного температурного поля лопатки в нелинейной постановке. Дана математическая формулировка этих задач, разработана методика их численного интегрирования. Сформулированы условия, при которых обеспечивается сходимость и устойчивость численного решения обеих задач.

В третьей главе приведена структура пакета программ, интегрированного в пакет САПР SolidWorks, описаны разработанные программные модули: модуль генерации расчетной сетки лопатки, модуль расчета граничных условий на поверхностях лопатки, модуль расчета трехмерного нестационарного температурного поля лопатки; приведены результаты тестирования данных программных модулей; проведена проверка адекватности и достоверности полученных расчетных результатов с экспериментальными данными, имеющимися в научно-технической литературе.

В четвертой главе приведены результаты численного исследования эффективности завесы на поверхностях корыта и спинки турбинной лопатки при ее пленочном охлаждении с использованием разработанного программного комплекса. Также приведены результаты численного исследования теплового состояния лопатки при ее пленочно-конвективном охлаждении.

Работа выполнена в рамках госбюджетной программы при финансовой поддержке министерства образования (грант Т00-6.7-66 Конкурсного центра грантов по фундаментальным исследованиям в области технических наук) на кафедре "Теплоэнергетика" Ульяновского государственного технического университета.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

1. Разработан интегрированный в систему автоматизированного проектирования SolidWorks пакет программ для детального анализа теплового состояния лопаток турбомашин, который позволяет проводить с повышенной точностью расчеты теплового состояния лопаток в процессе их автоматизированного проектирования.

Повышение точности расчетов теплового состояния лопаток достигается за счет определения граничных условий теплообмена в сопряженной постановке с учетом основных особенностей обменных процессов в пограничном слое корыта и спинки и анализа теплового состояния лопатки в нестационарной нелинейной трехмерной постановке. Общая погрешность определения максимальной температуры лопатки - ДГшах = ±26,3.35,0 К, минимальной температуры - МтЫ = ±9,5 К.

2. Разработана модель турбулентности, учитывающая влияние на обменные процессы в пограничном слое на поверхностях корыта и спинки сосуществования различных режимов течения, нестационарности, продольного градиента давления и кривизны обтекаемой поверхности.

3. Разработана методика расчёта граничных условий теплообмена на корыте и спинке лопаток турбин на основе численного интегрирования системы дифференциальных уравнений пограничного слоя.

4. Созданы электронные базы данных, содержащих теплофизические свойства рабочих тел, охладителя, конструкционных материалов лопаток при различных значениях температур.

5. С использованием разработанных программ проведено численное моделирование и исследование теплового состояния лопатки с конвективно-пленочной системой охлаждения.

1. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1976. 888 с.

2. Андерсон Д., Таннехил Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидромеханика и теплообмен. М.: 1990. Т.1. 384 с. Т.2. 728 с.

3. Аронов Б.М., Жуковский М.И., Журавлев В.А. Профилирование лопаток авиационных газовых турбин. М.: Машиностроение, 1975. 192 с.

4. Белов И.А., Кудрявцев Н.А. Теплоотдача и сопротивление пакетов труб. -JL: Энергоатомиздат, 1987. с.

5. Белоцерковский С.М., Ништ М.И. Отрывное и безотрывное обтекание тонких крыльев идеальной жидкостью. М.: Наука, 1978. с.

6. Белоцерковский С.М., Лифанов И.К., Численные методы в сингулярных интегральных уравнениях и их применение в аэродинамике, теории упругости, электродинамике. М.: Наука, 1985. с.

7. Богод А.Б., Курманов Б.И., Подвидз Г.Л. Исследование плоского трансзвукового течения газа через решетку объединенным методом интегральных уравнений и установления //Изв. АН. СССР. МЖГ. 1980. № 1. С. 105-111.

8. Браиловская И.Ю., Чудов Л.А. Решение уравнений пограничного слоя разностным методом // Вычислительные методы и программирование. Вып. 1,-М.: Изд. МГУ, 1962.

9. Бутов A.M., Котовский В.Н., Федоров P.M. Оптимизация математического моделирования обтекания решетки телесных профилей //Научно-методические материалы по процессам и характеристикам авиационных двигателей. М.: ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 1984. С.

10. Величко С.А., Лифшиц Ю.Б., Солнцев И.А. Расчет нестационарных течений при помощи схемы повышенной точности //Ж. вычисл. матем. и матем. физ. 1999. Т. 39. № 5. С. 850 864.

11. Венедиктов В.Д. Газодинамическое исследование турбины с открытым воздушным охлаждением сопловых лопаток. // Изв. Вузов. Авиационная техника. 1972. №2. С. 84 91.

12. Венедиктов В.Д. Газодинамика охлаждаемых турбин. М.: Машиностроение, 1990. 240 с.

13. Гильманов А.Н. Методы адаптивных сеток в задачах газовой динамики. -М.: Наука. ФИЗМАТЛИТ, 2000. 248 с.

14. Годунов С.К., Забродин А.В. О разностных схемах второго порядка точности для многомерных задач//Ж. вычисл. матем. и матем. физ. 1961. Т. 1. № 6. С. 1020- 1050.15.