А.М.Яблоков аспирант, КВиХТ СПбПУ

научный руководитель Ю.В. Кожухов, к.т.н., доцент

ФГАОУ ВО Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

Создание эффективных и надежных компрессоров играет важную роль для развития двигателестроения, нефтяной и газовой промышленностей. Значительный рост этих отраслей  и увеличение конкуренции среди ведущих  отечественных, европейских и американских компаний приводит к необходимости проектирования агрегатов, отвечающих самым высоким требованиям, для соответствия которым необходимы улучшения, а в некоторых случаях доработки  известных и используемых методов проектирования осевых компрессоров.

Как известно, в большинстве случаев проектирование новых компрессоров базируется на модельных ступенях [4], для которых проведены испытания и построены зависимости коэффициента напора и коэффициента полезного действия от уловного коэффициента расхода ψ=f(φ) и η=f(φ). На основании этих модельных ступеней и их характеристик, с использованием критериев подобия, создается новый компрессор на заданные параметры. Использование вычислительной гидрогазодинамики на стадии проектирования модельной ступени, позволяет уменьшить время создания и оптимизации нового лопаточного аппарата и проточной части[3]. Проведение численного эксперимента на математической модели ступени осевого компрессора позволяет определить проблемные области до непосредственного изготовления модельной ступени, что крайне важно для дальнейшей доработки проточной части. 

В данной работе авторами рассматривается гомогенная ступень осевого компрессора со степенью реактивности Ω=0,5, спроектированная в ЦКТИ под обозначением К50-3[2,5]. В состав модельной ступени ЦКТИ входят четыре элемента, а именно входной направляющий аппарат, рабочее колесо, промежуточный направляющий аппарат и спрямляющий аппарат, авторами рассматривается промежуточная ступень, состоящая из рабочего колеса и направляющего аппарата. Для проведения численного эксперимента были построены твердотельные модели рабочего колеса и направляющего аппарата в программном комплексе ProEngineer (правообладатель лицензии — кафедра КВиХТ СПбПУ), для построения проточной части использовалось приложение Design Modeler (ANSYS Workbench), для построения расчетной сетки – TurboGrid. Твердотельная модель рабочего колеса основывалась на шести сечениях по высоте лопатки согласно чертежам ЦКТИ К50-3, количество лопаток рабочего  колеса 26, направляющего аппарата – 22. Численный эксперимент проводился для пяти режимов работы ступени при значениях коэффициента расхода φ=0,36-0,53, значение полных температуры и давления на входе в расчетную область задавалось соответственно T*=287 К, p*=101325 Па, модель турбулентности SST. Для построения характеристик ступени использовались следующие формулы[1]

Адиабатический КПД ступени

            Адиабатический напор ступени:

Коэффициент адиабатического напора:

            Результаты  численного эксперимента приведены в таблице1

Таблица 1

Результаты численного эксперимента

            Для проведения сравнительного анализа был построен график зависимостей коэффициента полезного действия и коэффициента напора от коэффициента расхода. График зависимостей представлен на рисунке 1

Рис 1. График сравнения расчетных характеристик при численном и модельном (ЦКТИ) экспериментах (состав ступени РК+ПНА)

            Для дальнейшего проведение верификации численного эксперимента с результатами модельных испытаний рассмотрим ступень осевого компрессора с входным направляющим аппаратом и спрямляющим аппаратом (рис. 2).

Рис.2 Модель проточной части ступени К50-3

            На рисунке 3 показан график зависимостей КПД и коэффициента напора от условного коэффициента расхода для модели ступени в составе ВхНА, РК, НА, СА

Рис 3. График сравнения расчетных характеристик при численном и модельном (ЦКТИ) экспериментах (состав ступени ВхНА+ РК+ПНА+СА)

            Результаты численного эксперимента на ступени ОК в составе РК и ПНА хорошо соотносятся с результатами ЦКТИ (рис. 2),  в отличие от результатов на модели в составе  ВхНА, РК, ПНА, СА, которые сильно отклонятся от результатов испытаний ЦКТИ. Авторы считают, что причины такого расхождения связаны с «грубой» расчетной сеткой  для второго варианта модели проточной части.

Для оптимизации методики проектирования модельных ступеней есть необходимость в составлении каталога численных и модельных экспериментов для ступеней с различными геометрическими параметрами и степенями реактивности. Наличие большого количества верифицированных экспериментов позволит проводить проектирование новых ступеней с большей точностью.

Список используемой литературы

1. Буйновская Л.Н. Сопоставление опытных и расчетных аэродинамических характеристик осевых компрессоров. Труды Центрального научно-исследовательского котлотурбинный институт им. И.И. Ползунова. Котлостроение. Газовые турбины. Под ред. Акад. Б.Е. Стечкина, док.т.н. А. А. Канаева, к.т.н. Н. П. Стульникова и В. Г. Тырышкина. – Ленинград, 1964 – 71 стр.
2. Гофлин А.П. Руководящие указания по аэродинамическому расчёту проточной части осевых компрессоров. Атлас исходных ступеней. Центральное научно-исследовательский котлотурбинный институт им. И.И. Ползунова.– Ленинград , 1957.

1. К.С.Трибунская, Исследование трехмерного вязкого течения в модельной ступени К-100-2Л и в 9-ступенчатом осевом компрессоре ТНА-1 с отношением давлений: П*=2,6; массовым расходом =5,6 кг/с;начальным давлением P₁=107000 Па [Текст]/ Дис. на соискание ученой степени магистра / СПбГПУ – Санкт-Петербург, 2014. – 133 с., ил.

4. Ю. Б. Галеркин, Ю. В. Кожухов. Теория турбомашин. Основы теории турбокомпрессоров: учеб. пособие. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2013. – 246 с.
5. Руководящие указания по аэродинамическому расчёту проточной части осевых компрессоров. Атлас исходных ступеней. – Ленинград, 1957, — 8 листов