автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.06, диссертация на тему:Виртуальный стенд для исследования нестационарных процессов в ступени центробежного компрессора

На правах рукописи

ЛОПУЛАЛАИ Хеири Доминггус

ВИРТУАЛЬНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ПРОЦЕССОВ В СТУПЕНИ ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА

Специальность 05.04.06 - Вакуумная, компрессорная техника и пневмосистемы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2014

005550662

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет». Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор, Измайлов Рудольф Александрович. Официальные оппоненты:

Соломахова Татьяна Степановна, доктор технических наук, НИМК ЦАГИ, ведущий научный сотрудник. 140180 г. Жуковский, Московская область, ул. Жуковского, 1.

Караджи Вячеслав Георгиевич, кандидат технических наук, ООО ИППОВЕМТ, Генеральный директор, 111394, Москва, улица Мартеновская, 38. Ведущая организация:

ЗАО ИЭМЭТ РЭП Холдинг, Санкт Петербург, пр. Обуховской обороны, д. 51 лит А, 192029.

Защита состоится «17» июня 2014г. в 16:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.229.09 ФГБОУ BIIO «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., д.29, Главное здание, ауд. 118.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» Автореферат разослан « » апреля 2014г.

Учёный секретарь _

диссертационного совета Д 212.229.09

доктор технических наук, профессор /y^iJSl Хрусталёв Борис Сергеевич

суй *

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы исследования. Нестационарные процессы в центробежных компрессорах активно исследуются передовыми фирмами, вузами п научно-исследовательскими организациями, поскольку эти процессы являются основными причинами возникновения повышенных динамических напряжений и вибраций в элементах конструкции, ограничивают диапазон устойчивой работы компрессора и представляют большой научный интерес для изучения физической картины нелинейных явлений.

Исследования нестационарных процессов иа натурных и модельных установках -дорогостоящая процедура, требующая хорошей оснащённости стендов измерительной аппаратурой и высокой квалификации исследователей. Из-за технических ограничений, определяемых доступностью или сложностью размещения приборов (датчиков), особенно на вращающихся элементах ротора, получаемая информация имеет ограниченным характер. Некоторые величины затруднительно измерить из-за отсутствия соответствующих датчиков.

Применение технологий вычислительной гидродинамики позволяет решать задачи детального исследования нестационарных процессов в полном объеме практически в любом месте проточной части компрессора. Эти комплексы можно использовать для решения проблем аэродинамики нестационарных процессов в центробежном компрессоре. Применение вычислительных комплексов позволяет ставить задачу создания виртуальных стендов для исследования периодических нестационарных процессов в турбомашинах. Это особенно актуально для компрессоров магистральных газопроводов, а также для компрессоров общего назначения и компрессоров авиационных газотурбинных двигателей.

Степень разработанности темы. Исследования нестационарных процессов в турбомашинах, в том числе в центробежных компрессорах, - сложная задача. Сложность заключается как в необходимости применения малоинерционных измерителей физических величин, так и в самих процессах. Характерные масштабы времени процессов охватывают широкий диапазон от 10~6 до 10 секунд. Для обработки огромного количества информации требуется разработка и применение сложных многоканальных информационно-измерительных систем реального времени. Одновременное многоточечное измерение параметров нестационарного потока практически затруднительно. Экспериментальное

исследование некоторых видов нестационарных процессов затруднительно, поскольку высока вероятность поломок элементов конструкции.

Задачи нестационарной аэродинамики компрессоров ранее решались преимущественно для невязких течений. В работах X. Эммонса, К. Пирсона, X. Гранта. В.П. Ершова, Г.С. Самойловича, В.Б. Курзина, В.Э. Сарена, Р. Дина, Я.Сеноо, Ф. Марбла и других отечественных и зарубежных исследователей решены отдельные частные задачи нестационарной аэродинамики турбомашин, в том числе задачи аэроупругости. Расчёт течения вязкого газа с применением теории пограничного слоя производился в работах В. Янсеиа. В работах Н. Кампсти и Р. Памприна рассмотрены некоторые аспекты современного состояния исследований нестационарных процессов в компрессорах.

На конференциях ASME, JSME проблемы нестационарной аэродинамики турбомашин рассматриваются на специальных секциях, отмечаются сложности экспериментального и теоретического исследования нестационарных процессов в турбомашинах. Созданные в последние десятилетия современные вычислительные комплексы (Fluent, STAR CD, Numeca и др.) позволяют решать некоторые проблемы нестационарной аэродинамики турбомашин. Однако в большинстве зарубежных работ представлены результаты расчётов, например, вращающегося срыва на основе решения стационарного уравнения Навье - Стокса. Для ускорения расчётов решение выполняется для одиночного капала решётки с последующим мультиплицированием результатов с учётом периодичности объекта (Abdelwahab, 2010; Biesinger, 2010; Не, 2004; Trebinjac, 2011 и др.). Иногда при решении задачи с помощью программ, описывающих стационарное течение газа, к вращающемуся срыву относят эффекты численной неустойчивости, что приводит к результатам, существенно отличающимся от экспериментальных.

Использование современных достижений численной аэродинамики (CFD) накладывает свои ограничения. Дж. Дентон в докладе на конференции ASME (2010 г.) отмечает основные сложности при расчёте даже стационарного потока в турбомашинах с помощью CFD, в том числе проблемы задания граничных условий, применения моделей турбулентности и задачи ускорения вычислений. Существующие комплексы программ ориентированы на решение задач расчёта турбулентных течений, в то время как в центробежных компрессорах основную роль играют не только проблемы турбулентности, но и проблемы детерминированных

процессов типа "струя - след", а также вопросы определения границ появления нежелательных явлений типа вращающегося срыва. В задачах вычислительной гидродинамики применяются искусственные приёмы для переноса результатов расчёта из вращающейся системы координат (ротора) в абсолютную систему координат.

Современное состояние методов численной гидродинамики позволяет решать задачи нестационарной аэродинамики центробежных компрессоров с учётом эффектов движения вязкого газа в проточной части. Это позволяет ставить задачу создания виртуальных стендов, пригодных для исследования важных для практики и теории видов нестационарных процессов, в том числе детерминированных нестационарных процессов.

Цели и задачи исследования. Основными целями данной работы являются исследование возможностей вычислительного комплекса ANSYS CFX 12.0 с различными моделями турбулентности и соответствующих процедур для численного анализа нестационарного турбулентного течения в проточной части компрессора, а также сопоставление результатов расчёта с имеющимися экспериментальными данными, полученными как традиционными пиевмометрическими измерителями, так и результатов исследования нестационарных процессов малоинерционными измерителями.

В процессе выполнения работы необходимо решить следующие задачи:

1. Создать на основе системы ANSYS CFX 12 виртуальный стенд для исследования нестационарных процессов в проточной части центробежного компрессора, позволяющий

исследовать ............роваиные нестационарные процессы, в частности, периодические

пульсации типа «струя - след», нредерыв и вращающийся срыв.

2. С помощью вычислительного комплекса ANSYS CFX 12.0 с применением кластерных технологий провести численные расчеты трёхмерного нестационарного турбулентного потока в центробежном компрессоре на основе решения нестационарного уравнения Навье - Стокса (URANS). Расчёты выполнить по всей характеристике компрессора по всему углу охвата 2л.

3. Сопоставить результаты расчёта, полученные при испытании компрессора на виртуальном стенде, с результатами экспериментального исследования как медленно меняющихся величин, так и быстроменяющихся величин (пульсаций давления, измеренных с помощью малонперционных датчиков давления, и пульсаций скорости, измеренных термоансмометром).

4. Исследовать влияние различных моделей турбулентности (SST, LES, RNG и SAS SST) на результаты расчётов.

5. Сформулировать выводы и рекомендации по проведению расчётов нестационарных процессов в центробежном компрессоре с помощью комплекса ANSYS CFX 12 (URANS).

Научная новизна определяется тем, что практически впервые в отечественной практике выполнено численное моделирование трёхмерного нестационарного турбулентного течения в проточной части центробежного компрессора с помощью современных гидродинамических программных пакетов (ANSYS CFX 12). Обнаружены закономерности некоторых детерминированных нестационарных процессов типа "струя - след", в частности, слабое затухание пульсаций скорости при распространении по безлопаточному диффузору. С формулированы методические рекомендации по выбору опций, обеспечивающих достижение приемлемой точности результатов при использовании ANSYS CFX (URANS).

Теоретическая и практическая значимость работы состоит в том, что показан вклад пульсаций давления и скорости в аэродинамику проточной части центробежного компрессора, что позволяет анализировать причины появления нежелательных динамических напряжений в элементах конструкций и повышенных вибраций опор и трубопроводов, используя, например, систему ANSYS Mechanical. Разработана методика проведения численного исследования нестационарного течения газа в ступени центробежного компрессора. Показано влияние моделей турбулентности на результаты решения нестационарного уравнения Навье - Стокса.

Вычислительная система типа ANSYS CFX 12.0 позволяет анализировать трёхмерную картину течения, получать полезную информацию практически в любом месте проточной части, в том числе во вращающихся рабочих колёсах, по всей характеристике компрессора как для стационарных параметров потока, так и для нестационарных аэродинамических величин. Таким образом, создан виртуальный стенд для исследования нестационарных процессов в компрессоре, при этом отсутствует загромождение проточной части измерителями параметров, что позволяет использовать такие стенды для исследования практически всех типов центробежных компрессоров. .

Методология и методы исследования. Предметом исследования в дайной работе являются аэродинамические параметры и поля пульсаций аэродинамических величин в

рабочем колесе и неподвижных элементах проточной части центробежного компрессора, а также картины течения, полученные в ходе расчетов, и аэродинамические характеристики при трёхмерном течении турбулентного потока газа, включая нестационарные течения. Численное моделирование выполнено с помощью программного пакета ANSYS CFX 12.0, основанного па решении нестационарной осреднённой по числу Рейиольдса системы уравнений 11авье - Стокса (URANS), с применением опции Transient method (неустановившийся интерфейс ротора-статора). При расчёте применена модель изменения шаблона (frame change model) [ANSYS, 2009] для нестационарного режима взаимодействия ротора-статора. Созданы области расчётов, построены гексагональные сетки соответствующих задаче типов (II, J, С, L и О), определены подходящие граничные условия, выбраны модели турбулентности, создана физическая модель для решения задачи расчёта трёхмерных нестационарных течений в центробежном компрессоре.

Положения, выносимые на защиту:

1. Концепция виртуального стенда центробежного компрессора и методика выполнения расчётов нестационарного потока с использованием CFX ANSYS 12 (URANS).

2. Полученные на виртуальном стенде результаты исследования нестационарных процессов по всей аэродинамической характеристике компрессора.

3. Сопоставление результатов расчёта н экспериментального исследования медленно меняющихся и нестационарных аэродинамических величии по всей характеристике компрессора - от максимального расхода до границы помпажа.

Степень достоверности и апробация результатов. Выполненные расчётные исследования нестационарных процессов на основе решения осреднёиных по числу Рейиольдса нестационарных уравнений Навье-Стокса с помощью программного комплекса CFX ANSYS 12.0 (URANS) показали, что результаты численных расчётов удовлетворительно совпадают с экспериментальными данными как по осредпённым (стационарным), так и по нестационарным характеристикам потока по всей характеристике компрессора.

Вычисленные аэродинамические характеристики компрессора и поля полных давлений совпадают с экспериментально определёнными результатами ппевмометрических исследований с неоднозначностью, не превышающей 5%. Вычисленные параметры детерминированных нестационарных процессов в основном количественно и качественно

совпадают с результатами экспериментального исследования с применением малоинерционных измерителей (датчиков давления и термоанемометров). Полученные результаты в целом соответствуют сложившимся физическим представлениям о характере нестационарных процессов в проточной части центробежного компрессора.

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на научной конференции студентов и аспирантов "XXXIX Неделя науки СПбГПУ" (СПб, 6-11 декабря 2010 г.), на XV международной научно-технической конференции по компрессорной технике (Казань, 19 - 20 июля 2011 г.), на международном симпозиуме ISUAAAT 13 (Токио, 3-9 сентября 2012 г.) и на международной конференции ASME Turbo Expo 2013 (Сан-Антопио, Техас, США, 3-9 июня 2013г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 6 работ, в том числе 2 статьи в рекомендованном ВАК журнале «Компрессорная техника и пневматика» - 2011г., №№5 и 6, а также в докладах международного симпозиума ISUAAAT 13 (Токио, 2012) и международной конференции ASME Turbo Expo 2013 (Сан-Антонио, Техас, США, 2013 г.).

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 112 наименований. Материал изложен на 164 страницах и содержит 145 рисунков и 9 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы работы. Показана роль нестационарных процессов в компрессоре. Необходимость исследования нестационарных процессов в турбомашинах связана с задачами обеспечения надежной работы компрессора, требующими решения проблем устойчивости компрессора, возникновения вращающегося срыва, а также определения параметров детерминированных нестационарных процессов, существующих на устойчивых режимах.

Подобного рода исследования требуют проведения дорогостоящих экспериментов, при этом затраты на выполнение эксперимента очень велики, особенно при необходимости проведения измерений на натурных установках, поэтому в работе описан созданный виртуальный стенд для исследования нестационарных процессов на основе использования численных методов.

Глава 1 посвящена обзору отечественных и зарубежных исследовательских стендов. Показаны ограничения, накладываемые конструкцией стенда. Рассматривается классификация нестационарных процессов на основе функциональной схемы проточной части. Показаны основные результаты исследований нестационарных процессов на стендах. Рассмотрена методика измерения нестационарных параметров потока, приведены примеры расчётов с использованием методов вычислительной гидродинамики для исследования нестационарного потока в турбомашинах. Показана ограниченность экспериментальных исследований, сложность и трудоёмкость эксперимента. Виртуальный стенд позволяет определить эффекты взаимодействия течения в элементах проточной части. На данном этапе в виртуальном стенде рассматривается течение в упрощённой проточной части, образованной рабочим колесом и безлопаточным диффузором, течения в торцевых зазорах и протечки в лабиринтных уплотнениях не рассматривается.

В главе 2 рассмотрены объекты и предмет исследования для создания виртуального стенда для изучения нестационарных течений в центробежном компрессоре. В качестве прототипа выбран экспериментальный модельный стенд ЭЦК-1М (рис. 1-а) лаборатории компрессоростроения ЛПИ (СП6Г11У) [Измайлов. 1987]. Для этого стенда имеется подробная документация, позволяющая построить геометрическую модель проточной части, а также все результаты испытаний с измерением пневмометрпческих и быстроменяющихся величин.

Рис. 1. Экспериментальный стенд ЭЦК-1М (а) [Кононов, 1985; Измайлов, 1987]; виртуальный стенд ЭЦК-1 МП (б); трёхмерная модель (в).

В экспериментальной установке ЭЦК-1 М исследованы нестационарные процессы в

ступени, образованной рабочим колесом закрытого типа ((3Л2 = 49°, (Зл| = 34°, ъ = 16, Ьг/Ог =

0,0545) и безлопаточным диффузором с параллельными стенками (Ьз/Ь2 = 1,1, ОзЛЭг = 1,048,

04102 = 1,485) [Кононов, 1985; Измайлов. 1987].

9

На рис. 1 приведены схемы: (а) экспериментальной установки ЭЦК-1М, (б) виртуального стенда ЭЦК-1МН и (в) трёхмерной модели исследуемой ступени. Расчётная область (рис. 1-6) ограничена рабочим колесом и безлопаточным диффузором и включает в себя вращающееся рабочее колесо (синий цвет), интерфейсную секцию (зеленый) и безлопаточный диффузор (красный).

В главе 3 рассмотрена методика вычислений. Приведены уравнения 11авье - Стокса в нестационарной постановке (URANS), модели турбулентности и схемы дискретизации. Для построения геометрии объекта использовался ANSYS Blade Modeler в ANSYS Workbench. Приведены построенные вычислительные сетки на основе ANSYS Turbo Grid. Использована топология сеток H/J/C/L, а для профилей PK также O-Grid с коэффициентом ширины 0,5. Количество ячеек в области межлопаточного канала 1 968 360 узлов. Для всего угла охвата 2л общее количество узлов составляет 31493 760. Проверка качества сетки выполнялась с помощью приложения Turbo Grid. Приняты граничные условия: па входе в расчётную область - полное давление (Р*, IIa) и температура торможения (Т*, К), на выходе из расчётной области - массовый расход (m, кг/с). Течение газа в зазорах между колесом и корпусом компрессора, а также протечки через лабиринтное уплотнения не моделируются. На стенках БЛД и на профилях PK принято нулевое значение скорости и=0. Поверхности стенок предполагаются адиабатическими и гидравлически гладкими.

При дискретизации неустановившейся схемы использовался обратный метод Эйлера второго порядка по времени, для процессов переноса и турбулентности использована схема дискретизации высокого разрешения, значение контроля сходимости коэффициента петли выбрано меньше 5. Расчёты производились с помощью суперкомпыотерпых (кластерных) технологий по всему углу охвата 2л. Использованы модели турбулентности: а) переноса напряжения сдвига (SST); б) крупных вихрей (LES); в) k-к RNG; г) SAS SST. Установление принятого критерия сходимости (10"'1) происходило при расчётах выше 5-го оборота ротора (до 20-го оборота ротора). Необходимость расчётов по последовательным оборотам определялась особенностями интерфейса "неустановившийся ротор - статор" (Transient rotor-stator). Уровень интенсивности турбулентности принят равным 1%. При расчёте задавались длительность численного решения Т и ДТ - шаг по времени. Конечное состояние времени моделирования определялось из условия N*AT > Т, где N - номер шага но времени.

Приведены различные методы представления результатов: с использованием точки вычисления (рис. 2-6) и линий вычисления (turbo line) параметров потока (рис. 2-в).

Рис. 2. Расстановка: (а) датчиков в РК и БЛД [Кононов, 1985; Измайлов, 1987], (б) точек и (в) линий вычисления в системе ANSYS CFX Pre.

В главе 4 приведены результаты вычислений для моделей турбулентности: SST, LES, RNG, SAS SST для всех режимов по характеристике ступени от максимального расхода до вращающегося срыва. Результаты сопоставления параметров потока приведены для моделей SST и LES. При сро=фоопт для моделей SST и LES статическое давление в БЛД представлено на рис. 3, пульсации Сг при оптимальном расходе в БЛД представлены на рис. 4 . Статическое давление в РК при вращающемся срыве показано на рис 5.

На входе в БЛД (D — 1,047) видны отчётливые вращающиеся следы. По радиусу диффузора интенсивность пульсаций уменьшается по экспоненциальному закону, что соответствует экспериментальным данным [Кононов, 1985; Измайлов, 1987], на выходе диффузора (0=1,44) пульсации статического давления практически сглаживаются. Отсутствие фазового сдвига при распространении следов по диффузору показывает, что этот процесс эквивалентен распространению возмущений от пульсирующего источника.

Пульсации Сг в БЛД па входе и выходе диффузора й = 1,047; 1,44 при оптимальном расходе фо=фоопт (рис. 4), как и С,„ имеют периодический характер. В конце диффузора

11

пульсации Сг малы, однако периодический характер флуктуации сохраняется. Аналогичная картина получена при экспериментальном исследовании потока с помощью термоанемометра [Кононов, 1985; Измайлов, 1987]. Отчётливо видно, что теоретические предположения Дина/Сеноо и Джонстона/Дина [Dean, 1960] о быстром смешении течения «струя - след» не подтверждаются.

в B-wssr !5= 1,44 SST

Рис. 4. Пульсации Сг на входе и выходе БЛД (О = 1,047; О = 1,44) при ф0=ф0опт, модели БвТ.

На рис. 5 показаны пульсации трёхзонного вращающегося срыва в виде бегущей волны, демонстрирующей сдвиг фаз из-за перемещения зон срыва относительно колеса. Интенсивность пульсаций достигает значений 0,5рщ2'. Фазовый сдвиг пульсаций давления, как показано в главе 5, позволяет определить угловую скорость перемещения зон срыва.

г-«.-,;''

Рис. 5. Пульсации Р на периферии РК (Ргпср) нри фо= фовр.ср, модель SST и LES.

При переносе результатов расчёта с использованием интерфейса "Transient rotor-stator" из вращающегося рабочего колеса в неподвижные элементы для процессов с двумя некратными частотам» (шРог и ыар_ср) получаются физически неправдоподобные значения периода пульсаций вращающегося срыва в абсолютном движении. На входе в диффузор наблюдаются интенсивные вращающиеся следы. На осциллограммах заметен сдвиг фаз, связанный с перемещением зон срыва по окружной координате.

Вращающиеся следы за рабочим колесом (рис. 6-а) хорошо заметны до диаметра D = 1,14, далее при движении по диффузору следы ослабляются. Минимальное значение пульсаций соответствует области следа у задней стороны лопатки колеса. Фазовый сдвиг

н.саций показывает, что вращающиеся следы распространяются по направлению

12

основного потока. При вращающемся срыве отрыв перебрасывается на заднюю стенку диффузора (рис. 6-6).

15= 5..04? <вс = ©5а»_

••• -. Сг

D = 1,28

Рис. 6. 1 [ульсации С г в БЛД, z/b=0,06; 0,5; 0,94, ф0 фО опт (а) и фовр.ср (б), модель LES.

На рис. 7 показано мгновенное распределение статического давления в РК и БЛД. Данная картина иллюстрирует сложный характер нестационарного процесса.

Рис. 7. Трёхмерное поле статических давлений при разных моделях турбулентности.

В главе 5 представлено сопоставление рассчитанных и экспериментальных характеристик рабочего колеса и ступени по статическим и полным параметрам (рис.8). Совпадение характеристик удовлетворительное, расхождение не превышает 5%. Форма характеристик воспроизводится достаточно хорошо.

Рис. 8. Экспериментальные [Кононов, 1985; Измайлов, 1987] (-) и рассчитанные (характеристики по статическим параметрам: а) - рабочего колеса; б) - ступени; по полным параметрам: в) - рабочего колеса; г) - ступени.

На рис. 9 представлено сопоставление экспериментальных данных, полученных измерениями малогабаритными трубками полного давления [Кононов, 1985; Измайлов, 1987] (рис.9-а, в), и результатов численных расчётов (рис.9-6, г) полей полных давлений по ширине безлопаточного диффузора в сечениях 2'-2' (на входе в БЛД) и (в конце диффузора). Экспериментальные и вычисленные распределения весьма близки не только по форме, но и по значениям. На режимах ф2=ф2вр.ср наблюдается падение давлений вблизи стенки диффузора, что свидетельствует о появлении обратных токов.

Рис. 9 Распределения полных давлений по ширине БЛД, сечение 2'—2': (а) эксперимент, (б) численный расчёт; сечение 4'- 4': (в) эксперимент [Кононов, 1985; Измайлов, 1987], (г) численный расчёт.

На рис. 10 для режима вращающегося срыва (ф2вр.ср=0,065) представлены экспериментальные данные [Кононов, 1985; Измайлов, 1987] и результаты численных расчётов изменения во времени абсолютных скоростей в трёх сечениях но ширине диффузора (г/Ьз=0,06; 0,5; 0,94) на основе моделей SST и LES. Видно, что на обеих стенках возникают зоны обратного течения, а в ядре потока эти зоны занимают незначительную долю окружности. Общий характер явления воспроизводится численным расчётом, заметны зоны обратных токов преимущественно у стенок диффузора.

Рис. 10. Экспериментальные [Кононов, 1985; Измайлов, 1987] и рассчитанные скорости в БЛД при ф2вр.ср=0,065 в сечениях: а) г/Ь = 0,06; б) г/Ъ = 0,5; в) г/Ь = 0,94.

14

На рис 10 показаны распределения мгновенных абсолютных скоростей в диффузоре в среднем по ширине сечении и у стенок диффузора. Общий характер пульсаций для различных моделей турбулентности совпадает. В ядре потока преимущественное направление скорости -положительное, а на стенках, как и в эксперименте, образуются зоны обратных токов, т.е. видно, что вращающийся срыв возникает из-за отрыва потока в пограничном слое у стенок диффузора. В табл. 1 представлено сопоставление параметров расчётов и экспериментальных данных [Кононов, 1985; Измайлов, 1987] вращающегося срыва для различных моделей турбулентности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведено комплексное исследование нестационарных аэродинамических процессов в центробежном компрессоре в широком диапазоне режимов, выполненное с применением программ пакета ANSYS CFX 12, основанного на решении нестационарной осреднённой по числу Рейиольдса системы уравнений Навье - Стокса (URANS).

На основе проведенного исследования можно сделать следующие выводы:

1. Создан виртуальный стенд для исследования нестационарных процессов в проточной части центробежного компрессора на основе системы ANSYS CFX 12, позволяющий исследовать в широком диапазоне расходов (от максимального значения до номпажа) детерминированные нестационарные процессы, в частности, периодические пульсации типа «струя - след», предсрыв и вращающийся срыв.

2. С помощью вычислительного комплекса ANSYS CFX 12, использующего кластерные технологии, проведены численные расчёты трёхмерного нестационарного турбулентного потока в центробежном компрессоре по всей характеристике компрессора на основе решения нестационарного уравнения Навье-Стокса (URANS). Расчёты выполнены по всему углу охвата 2л.

3. Результаты расчётов, полученные при испытании компрессора на виртуальном стенде, сопоставлены с результатами экспериментального исследования как по медленно меняющимся величинам, так и по измерениям быстроменяющихся величин (пульсаций давления, измеренных с помощью малоинерционных датчиков давления, и пульсаций скорости, измеренных термоанемометром). Получено удовлетворительное совпадение

качественных и количественных параметров, а также границ возникновения вращающегося срыва.

4. Исследовано влияние различных моделей турбулентности (SST, LES, RNG 11 SAS SST) на результаты расчётов. Показана применимость моделей SST, LES и RNG.

5. Сформулированы выводы и рекомендации по проведению расчётов нестационарных процессов в центробежном компрессоре с использованием комплекса ANSYS CFX 12.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, входящих в перечень ВАК:

1. Лопулалан, Х.Д. Численное моделирование нестационарного течения в ступени центробежного компрессора / Р.А Измайлов, Х.Д. Лопулалан, Г.С. Норимарна// Компрессорная техника и пневматика - 2011, № 5. -С. 10-15.

2. Лопулалан, Х.Д. Виртуальный стенд для исследования нестационарных процессов в ступени центробежного компрессора / Р.А Измайлов, Х.Д. Лопулалан, Г.С. Норимарна// Компрессорная техника и пневматика — 2011, № 6. -С. 47-52.

Публикации в трудах международных конференций:

3. Лопулалан, Х.Д. Расчёт нестационарного течения в ЦК с помощью программного комплекса ANSYS Workbench CFX / Х.Д. Лопулалан, Г.С. Норимарна / XXXIX Неделя науки СПбГПУ Секция «Компрессоростроение» (СПб, 6-11 декабря 2010 г.), № 15.

4. Лопулалан Х.Д. Численное моделирование нестационарного процесса в ступени центробежного компрессора / Р.А Измайлов, Х.Д. Лопулалан, Г.С Норимарна/ XV Международная научно-техническая конференция по компрессорной технике 18-20 Июля 2011, г. Казань, Россия, том 2 - С. 260-268.

5. Lopulalan H.D. Unsteady flow in centrifugal compressor numerical modelling and experimental investigation / R.A. Izmailov, H.D. Lopulalan, G.S. Norimarna / 1SUAAAT-13-S7-1 Tokyo, Japan, 2012. pp. 55-56.

6. Lopulalan, H.D. Unsteady flow modeling using transient rotor - stator interface / R.A. Izmailov, H.D. Lopulalan, G.S. Norimarna / Proceedings of ASME Turbo Expo 2013 GT2013-95788 June 3-7, 2013, San Antonio, Texas, USA. pp. 1-8.

Подписано в печать 11.04.2014. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 11783Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.:(812)550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет"

На правах рукописи

04201

Лопулалан Хенри Доминггус

ВИРТУАЛЬНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ПРОЦЕССОВ В СТУПЕНИ ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА

Специальность 05.04.06 - Вакуумная, компрессорная техника и пневмосистемы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Измайлов Р А

Санкт-Петербург - 2014

Основные условные обозначения

Ъ1 - ширина канала на входе в РК (сечение 1-1), м;

Ьг - ширина канала на выходе из РК (сечение 2-2), м;

Ъъ - ширина канала на входе в диффузор (сечение 3-3), м;

¿4 - ширина канала на выходе из диффузора (сечение 4-4), м;

с - скорость потока в абсолютной системе координат, м/с;

Бо - наружный диаметр всасывающего патрубка (сечение 0-0), м;

Б\ диаметр входа в колесо (сечение 1-1), м;

£>2 наружный диаметр рабочего колеса, м;

Из - диаметр входа в диффузор (сечение 3-3), м;

0,\ - диаметр выхода из диффузора (сечение 4-4), м;

п - частота вращения, об/мин, об/с;

N — мощность, Дж/с;

р - давление, Па;

г, Я - проекция на радиальное направление

г, 0, ъ - составляющие цилиндрической системы координат, м t — шаг лопаток, м;

и — проекция скорости на окружное направление, м/с; и, V, лу - компоненты скорости в декартовой системе координат И7 - относительная скорость, м/с;

2 - осевая координата, число лопаток рабочего колеса, число зон вращающегося срыва;

а - абсолютный угол потока, град;

Р — угол потока в относительном движении,, град

рл - угол лопатки рабочего колеса, град;

8л - толщина лопаток; мм

С, - коэффициент потерь;

т| - коэффициент полезного действия;

6 - угловая координата;

ц - коэффициент динамической вязкости; Н/м2; V - кинематическая вязкость; м2/сек;

П — отношение давлений,

р — плотность, кг/м3

т — касательное напряжение; Н/м2;

Ф - угловая координата лопатки, рад; град

сро, ф2 - коэффициенты расхода;

ц/ - коэффициент напора;

ц/т - коэффициент теоретического напора;

о - угловая скорость, рад/с

ИНДЕКСЫ:

вх - вход в систему;

вых - выход из системы;

1-1 - сечение входа на лопатки рабочего колеса;

2-2 — сечение выхода из рабочего колеса;

3-3 - сечение на входе в диффузор;

4-4 - сечение на выходе из диффузора; ад - адиабатный;

вр. ср - вращающийся срыв;

зад - задняя сторона лопатки

макс - максимальный;

мин - минимальный;

опт - оптимальный;

пер - передняя сторона лопатки;

ср - среднее по шагу межлопаточного канала;

СОКРАЩЕНИЯ:

БЛД - безлопаточный диффузор;

ГУ - граничные условия;

КВХТ — компрессорная вакуумная и холодильная техника СПбГПУ;

КПД - коэффициент полезного действия;

JIT - линия тока;

МКО - метод конечных объёмов;

НА — направляющий аппарат;

ОД - основной диск;

ОНА — обратный направляющий аппарат;

ПД — покрывающий диск;

ПЧ - проточная часть;

РК - рабочее колесо;

ЦК - центробежный компрессор;

ЭЦК — экспериментальный стенд центробежного компрессора;

CDS central difference scheme (центрально - разностная схема);

CFD - computational fluid dynamics (вычислительная гидродинамика);

GGI general grid interface (общий интерфейс сетки)

LES large eddy simulation (метод крупных вихрей);

RANS — стационарное осреднённое по числу Рейнольдса уравнение Навье -Стокса

SAS scale adaptive simulation (масштабно адаптивный метод);

SGS subgrid-scale (внутрисеточный масштаб);

URANS - нестационарное осреднённое по числу Рейнольдса уравнение Навье -Стокса

ОГЛАВЛЕНИЕ

Основные условные обозначения..............................................................2

Введение.................................................................................................7

1 Типология стендов и объектов исследования............................................17

1.1 Экспериментальные стенды для исследования ПЧ турбомашин...................17

1.2 Экспериментальное исследование турбокомпрессоров...............................19

1.2.1 Рабочее колесо..............................................................................19

1.2.2 Входные и выходные устройства.........................................................20

1.2.2.1 Всасывающая камера......................................................................20

1.2.2.2 Выходное устройство....................................................................23

1.2.3 Диффузор.....................................................................................24

1.2.4 Течение в поворотных коленах и ОНА.......................................................27

1.2.5 Экспериментальные стенды.................................................................28

1.3 Методы измерения параметров потока......................................................33

1.4 Течение "струя-след"............................................................................34

1.5 Исследования нестационарных процессов...................................................36

1.6 Методика исследования ЛПИ...................................................................37

1.7 Применение методов вычислительной гидродинамики для исследования нестационарного потока в турбомашинах.........................................................39

1.8 Выводы и постановка задачи.................................................................41

2 Объекты и предмет исследования................................................................43

2.1 Выбор объекта исследования.................................................................43

2.2 Экспериментальная установка ЭЦК-1М....................................................43

3 Методы вычислительной гидродинамики в турбомашинах.............................48

3.1 Основные уравнения течения жидкости и газа...........................................48

3.2 Выбор модели турбулентности...............................................................50

3.2.1 Модель переноса напряжений сдвига (SST)......................................................50

3.2.2 Метод крупный вихрей (LES)..............................................................................51

3.2.3 RNG k-s модель..................................................................................52

3.2.4 Адаптивная по масштабу модель турбулентности (SAS SST).......................53

3.3 Схема дискретизации..........................................................................53

3.4 Построение вычислительной геометрии....................................................55

3.5 Вычислительные сетки........................................................................56

3.6 Критерии оценки качества сетки...........................................................58

3.7 Задание граничных условий...................................................................59

3.8 Интерфейс "Неустановившийся ротор - статор"........................................60

3.9 Методы представления результатов расчёта.............................................62

4 Результаты численных исследований (CFX) и их анализ............................65

4.1. Процессы в диапазоне устойчивой работы (фомакс>ф>фовРхР.)............................66

4.1.1. Процессы в рабочем колесе при фо>фо<жг............................................66

4.1.1.1 Статическое давление в РК при фо>фоопт..........................................66

4.1.1.2 Радиальная составляющая скорости Сг в РК при фо>фоопг.....................69

4.1.2. Процессы в безлопаточном диффузоре при фо>фо0пт..............................72

4.1.2.1 Полное и статическое давление в БЛД при фо>фоопт..................................72

4.1.2.2 Пульсации Сги Си в БЛД при фо>фоопт..........................................................75

4.2. Процессы при предсрыве (фо= фопредсрыв)..................................................81

4.2.1 Пульсации статического давления в РК, модели SST и LES.....................81

4.2.2 Пульсации Сгв РК, модели SST и LES..........................................................83

4.2.3 Пульсации Р* и Р в БЛД, модели SST и LES..........................................85

4.2.4 Пульсации G и Си в БЛД, модели SST и LES.......................................87

4.3. Процессы при вращающемся срыве фо= фовр.ср....................... ........................89

4.3.1 Пульсации статического давления в РК, модели SST и LES....................89

4.3.2 Пульсации скорости Сг в РК, модели SST и LES.......................................91

4.3.3 Пульсации Р* и Р в БЛД, модели SST и LES..................................................92

4.3.4 Пульсации Сг и Си в БЛД, модели SST и LES................................................94

4.4. Пульсации G и модуля вектора скорости С в БЛД, модели SST и LES...........96

4.5 Пульсации окружной составляющей скорости Си в БЛД модели SST и LES ... 106

4.6. Распределение углов потока а в БЛД....................................................111

4.7. Способы визуализации для анализа результатов расчёта...........................113

4.7.1 Линии тока при разных моделях турбулентности..............................114

4.7.2 Осреднённое по времени статическое давление при разных моделях турбулентности.........................................................................116

4.7.3. Трёхмерное поле статических давлений..........................................121

4.8. Вычислительные ресурсы и время расчётов...............................................122

5 Сопоставление результатов расчётов (ANSYS CFX) и экспериментов............124

5.1 Сопоставление результатов пневмометрических измерений и расчётов характеристик и полей полных давлений................................................125

5.2 Сопоставление результатов термоанемометрических измерений и расчёта нестационарных течений при устойчивой работе ступени.........................129

5.3 Сопоставление результатов термоанемометрических измерений и расчётов при вращающемся срыве........................................................................144

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................155

Список литературы................................................................................156

Введение

Актуальность темы исследования. Центробежные компрессоры — важнейшее технологическое и энергетическое оборудование для повышения давления и транспортировки газов. Традиционные области их использования - передача энергии с помощью сжатого воздуха, металлургия, химия, энергетика (компрессоры газотурбинных установок, наддув ДВС, паровых котлов), холодильная техника, вентиляция и кондиционирование. Газовая промышленность в России является одной из наиболее важных областей применения центробежных и осевых компрессоров.

В зависимости от области применения ЦК существенно различаются рабочие характеристики и конструкция компрессоров. Роль турбокомпрессоров особенно велика в добыче, транспортировке и переработке углеводородного топлива, что особенно важно для России. Работа ЦК в области малых значений коэффициента расхода может приводить к глобальной (помпаж) и локальной (вращающийся срыв) потере устойчивости.

Необходимость исследования нестационарных процессов в турбомашинах связана с проблемами обеспечения надёжной работы установок, требующими решения задач устойчивости течения работы компрессора и возникновения вращающегося срыва и помпажа. Задачи повышения надёжности компрессорных агрегатов привели к необходимости исследования нестационарных процессов в проточной части ЦК. Исследования нестационарных процессов позволяют определить возможные причины

появления динамических напряжений в PK и неподвижных элементах ПЧ, а также вибраций и повышенного шума. Такими причинами являются:

1. Неравномерность статического давления в пространстве, окружающем PK, вызванная наличием рёбер во всасывающем патрубке, ЛД, улитки, смещения половин горизонтального разъёма, протечек через уплотнения и т.д [Пфлейдерер, 1960; Рис, 1964; Ден, 1965, 1967; Измайлов, 1965; Мифтахов, 1968; Раер, 1968; Селезнёв, 1968.].

2. Вращающиеся следы за PK [Dean, 1960; Jansen, 1960; Патрин, 1964, 1965; Измайлов, 1965; Селезнёв, 1966; Eckardt, 1978].

3. Вращающийся срыв в ПЧ ЦК [Jansen, 1960; Ершов, 1964; Городецкий, 1968; Измайлов, 1967, 1968; 1970, 1987].

4. Отрывные, акустические и псевдозвуковые явления в PK и в других элементах ПЧ [Измайлов, 1967; Самойлович, 1969; Курзин, 1970].

5. Помпаж [Ершов, 1966, Pampreen, 1993].

6. Стоячие (бегущие) волны на боковых поверхностях рабочего колеса [Дорфман, 1960; Измайлов, 1965; Измайлов, 1967].

7. Аэроупругие явления [Самойлович, 1969].

При создании новых эффективных конструкций ЦК необходимо развитие более совершенных методов расчётно-теоретического анализа элементов ПЧ, основанных на экспериментальной проверке исследуемых вариантов, а также получение опытных данных по конкретным вопросам проектирования при условиях эксперимента, близких к натурным условиям работы машинам.

Исследования на натурных установках с измерением быстроменяющихся аэродинамических величин дают полезную, но ограниченную информацию из за отсутствия возможности размещения датчиков в необходимых местах. Стоимость эксперимента весьма высока. Для компрессоров высокого давления, компрессоров химических производств, работающих на газах с физическими свойствами, отличающимися от воздуха, необходимо создание уникальных установок замкнутого контура. Экспериментальное исследование аэроупругих явлений, вращающегося срыва и помпажа на натурных установках практически затруднено из-за высокой вероятности аварий.

Исследования на модельных стендах позволяют получить ценную информацию, однако стоимость эксперимента также высока, особенно при исследовании нестационарных процессов. Измерение нестационарных параметров при высоких окружных скоростях практически трудно осуществимо, поскольку постановка датчиков на рабочие колёса может приводить к поломкам колёс.

Стремление экспериментатора получить подробную информацию о состоянии потока приводит к большому загромождению проточной части, что особенно недопустимо при исследовании околозвуковых и трансзвуковых компрессоров.

С развитием численных методов стало возможным применять вычислительный эксперимент. Применение технологии вычислительной гидродинамики на этапе проектирования позволяет оптимизировать геометрические параметры ступени турбомашин, в том числе с учётом нестационарного взаимодействия между ротором и неподвижными элементами, оценивать уровни пульсаций аэродинамических величин, а также определять условия возникновения неустойчивостей в проточной части и параметры вращающегося срыва.

Современные вычислительные комплексы позволяют ставить задачу создания виртуальных стендов для исследования периодических нестационарных процессов (вращающихся следов, неравномерностей распределения по пространственной координате, вращающегося срыва) по всей аэродинамической характеристике от максимального расхода до границы помпажа (исследование помпажа как процесса в системе «компрессор-сеть» требует использования информации о системе, на которую работает компрессор, и здесь не рассматривается). Виртуальный стенд предназначен для решения преимущественно аэродинамических задач, т. е. проблемы аэроупругости, виброустойчивости и виброактивности ротора здесь не рассматриваются, конструкция считается недеформируемой.

Нестационарные процессы в турбомашинах можно разделить на две группы [Самойлович, 1975]:

1. Аэродинамические процессы, для которых несущественна связь между аэродинамическими и упругими характеристиками системы;

2. Аэроупругие процессы, для которых основную роль играет связь между аэродинамическими характеристиками элементов ПЧ и характеристиками упругости элементов конструкции компрессора.

Аэродинамические нестационарные процессы наблюдаются во всех типах турбомашин. Эти процессы можно разбить на два класса: детерминированные и случайные. Неоднородность потока вокруг решётки объясняется возмущением потенциального потока и наличием кромочного следа [Самойлович, 1975]. Распределение давления и циркуляция скорости вокруг круговой решётки изменяется из за нестационарности потока, а сама решётка является акустическим излучателем из за вращения колеса. Акустические волны вызваны пульсирующими источниками звука с частотами k*n*z (п-частота вращения ротора, z - число лопаток решётки, создающей неоднородный поток, к = 1, 2, 3...) [Самойлович, 1975].

При разработке виртуального стенда для исследования нестационарных процессов в центробежных компрессорах в качестве прототипа выбран экспериментальный модельный стенд ЭЦК-1М лаборатории компрессоростроения ЛПИ (СПбГПУ). На этом стенде были выполнены обширные циклы исследований с измерением быстроменяющихся величин (пульсаций статического давления, в том числе в рабочих колесах, мгновенных скоростей с помощью термоанемометров) в типовых ступенях [Измайлов, 1987]. Разработка виртуального стенда для исследования нестационарных процессов в центробежных компрессорах - актуальная задача, поскольку позволяет при использовании верифицированной программной системы и кластерной технологии вычислений получать данные о нестационарных процессах практически в любом месте проточной части. В то же время очевидно, что достоверность полученных результатов требует проверки сопоставлением с надёжными опытными данными. Отметим, что такие виртуальные стенды в принципе позволяют получить результаты поведения компрессора при помпаже и исследовать аэроупругие эффекты, поскольку экспериментальные исследования помпажа и, например, флаттера весьма затруднительны из-за высокой вероятности разрушения компрессора.

Подавляющее большинство современных численных исследований турбомашин основано на решении стационарного уравнения Навье - Стокса (RANS), зачастую для ускорения счёта используется физически неоправданное предположение о периодичности задачи, а расчёт выполняется для одиночного канала решётки. Работы по применению нестационарного решения уравнения Навье - Стокса (URANS) для всей области течения (полного угла охвата 2л:) весьма малочисленны.

Степень разработанности темы. Исследования нестационарных процессов в турбомашинах, в том числе в центробежных компрессорах, - сложная задача, доступная ограниченному кругу исследователей. Сложность заключается как в необходимости применения малоинерционных измерителей (малогабаритных датчиков давления, термоанемометров, лазерны�