Ю.В. Кожухов, А.М. Данилишин

Приведены результаты расчета на суперкомпьютере пространственного течения в ступени центробежного компрессора методами вычислительной газодинамики с применением программного комплекса AnsysCFX 14.0. Рассмотрена промежуточная ступень компрессора с лабиринтными уплотнениями и приведены результаты сравнения расчета и натурного эксперимента.

Все вычисления проводились на кластерах Отделения вычислительных ресурсов СПбГПУ. Параметры одного узла кластера: AMDOpteron 280 – 2 процессора по 2 ядра. Расчёты производились при параллельном запуске процессоров. Для предварительного расчёта использовалось от 4 до 12 узлов, причем расчет на 6 и более узлов не давал существенного ускорения счета, поэтому для последующих расчетов решено использовать 5 узлов кластера (20 ядер).

Целью работы является исследование течения в ступени промежуточного типа центробежного компрессора с учётом междисковых зазоров и лабиринтных уплотнений методами вычислительной газодинамики с применением программного комплекса AnsysCFX 14.0 и сравнение полученных результатов с данными натурного эксперимента.

Объектом исследования является среднерасходная ступень центробежного компрессора, для которой имеются экспериментальные характеристики. Ступень выполнена по проекту проф., д.т.н. Ю.Б Галеркина (СПбГПУ), под его руководством проведены натурные испытания и им любезно предоставлены все необходимые данные для исследования ступени авторами статьи [2]. Проточная часть компрессора состоит из:осесимметричного входного патрубка, радиального рабочего колеса закрытого типа,безлопаточного диффузора (БЛД),обратно-направляющего аппарата(ОНА) и лабиринтных уплотнений (рис. 1).

Рис. 1. Проточная часть компрессора

Исходные параметры на оптимальном режиме работы: частота вращения — 9840 об/мин, температура начальная по полным параметрам — Tн*= 280,9 К, давление начальное по полным параметрам — Pн*=0,10163 МПа, массовый расход воздуха — =1,889 кг/с.

Производилось исследование потока во всей проточной части. На первом этапе были построены геометрические модели элементов компрессора с помощью программ ProEngineer и BladeModeler (продукт Ansys). Построение осуществлялось для отдельного лопаточного сектора.

На втором этапе строились расчётные блочно-структурированные сетки элементов проточной части компрессора в приложениях Turbogrid и ICEM CFD (продукты Ansys) и были объединены в приложении CFX-Pre (продукт Ansys) в единую расчётную сетку компрессора. Сетка компрессора состоит из 5,8 млн. элементов.

На третьем этапе были заданы граничные условия для компрессора и элементов. Расчёт производился модели турбулентности SST [1], адиабатических гидравлически гладких стенках.

Вычисления всей расчётной области компрессора производились на 5 узлах кластера, с 2 процессорами по 2 ядра в каждом узле. Расчёт на 300 итераций для расхода =1,889 кг/с длился около 7 часов 45 минут. При этом был произведен расчёт нескольких режимов одновременно. Так, для расчёта характеристики компрессора на 300 итераций необходимо около 7 часов 45 минут. При этом происходит достижение условия сходимости расчёта — значения RMS не превышают 1,0e-04 и колебания значений точек мониторинга от итерации к итерации в расчетных сечениях проточной части компрессора в среднем не превышают 0,1%.

На рисунках 2 представлена структура потока в рабочем колесе и безлопаточном диффузоре (БЛД), поворотном колене (ПК) и обратно-направляющем аппарате(ОНА) на плоскости развернутой окружности в сечении по средней высоте канала проточной части.

Рис. 2. Структура потока в сечении по средней высотеканала проточной части при массовом расходе m ̅=1,889 кг/с

В любом интересующем месте возможно определение значения необходимого параметра, будь это плотность, давление, температура, скорость потока, энтропия и т.п. Для задачи определены интегральные характеристики и подсчитаны количественные параметры: КПД и напоры компрессора.Рис. 2. Структура потока в сечении по средней высотеканала проточной части при массовом расходе =1,889 кг/с

Результаты расчета и сравнения с экспериментом сведены в таблицу 1.Сечение 2-2: на выходе из рабочего колеса. Сечение 2-2: на выходе из рабочего колеса. Сечение 3-3: на выходе из безлопаточного диффузора компрессора. Сечение 0′-0′: на выходе из ступени. Отклонение , % рассчитано по формуле, где P – условное обозначение рассматриваемого параметра:

Таблица 1. Сравнение результатов расчётов в ANSYSCFX с данными натурного эксперимента для двух режимов: =2,206 кг/с и =1,889 кг/с

Из таблицы видно, что значения рассчитанных КПД и коэффициентов напора Ψ_p* завышены по сравнению с экспериментальными данными. Однако, при учёте этого завышения численные методы применимы для анализа рабочего процесса при проектировании компрессоров.

Данные методы помогают в быстром решении задач по предупреждению грубых ошибок в проектировании, созданию благоприятных условий течения газапо проточной части. Эти действия существенно сократят количество доводочных испытаний, а тем самым и себестоимость компрессора для предприятия.

Работа выполнена при поддержке Совета по грантам Президента Российской Федерации (грант № МК-5839.2012.8).

Литература:

1. Гамбургер Д.М. Численное моделирование течения вязкого газа в центробежной компрессорной ступени: методика и результаты [Текст]: дис. … канд. техн. наук – СПбГПУ, 2009. – 190 с.
2. Ю.Б. Галеркин. Экспериментальные исследования и развитие методов проектирования, основанных на анализе пространственного потока. С. 188 – 210. / Труды научной школы компрессоростроения СПбГПУ. Под ред. проф. Ю.Б. Галеркина. – Изд. СПбГПУ, СПб., 2010 — 670 с.
3. ANSYS CFX 14.0: Users Manual [Электронныйресурс] / ANSYSInc., 2009.