А.М.Данилишин, Ю.В. Кожухов

Цель работы провести анализ рабочего процесса в проточной части промежуточной ступени среднерасходного центробежного компрессора с помощью программы ANSYS CFX14.0 с лабиринтными уплотнениями и без, оценить влияние интерфейсов frozen rotor (передача параметров без осреднения между вращающейся и неподвижной областью) и stage (передача параметров с осреднением по окружности) на расчет, проанализировать влияние полной развертки окружности 2π и провести верификацию расчетов с результатами натурного эксперимента, оценить погрешность вычислительного эксперимента.

В предыдущей работе [1] былпроведен анализ для оптимального режима, показавший погрешность вычислений ~2%.

Напомним, что объектом исследования является один лопаточный секторсоответствующих аппаратов среднерасходной ступени 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 (РК), безлопаточного диффузора (БЛД), обратно-направляющего аппарата (ОНА) и лабиринтных уплотнений с междисковыми зазорами. Расчетная сетка проточной части  составляет: с уплотнениями — 4,47 млн. гексаэдров, без уплотнений — 3,51 млн. гексаэдров, 2π с уплотнениями -57,6 млн. гексаэдров. Использовались RANS — подход к решению уравнений Навье-Стокса, модель турбулентности SST[3].Maксимальное значение у+ на РК ~2.

В настоящей работе для достижения цели были решены следующие задачи:

1 -проведенаверификация результата расчетахарактеристик компрессора с данными натурного эксперимента при числе оборотов ротора n₁=9840 об/мин и условном числе Маха M_u=0,6; 2 -оценено влияние расчетной начальной турбулентности и шероховатости стенок по сравнению с заданной по умолчанию интенсивностью турбулентности 1% (Low); 3 -проведено исследование влияния на расчет интерфейсов соединения между вращающейся и стационарной областью; 4 -проведена оценка влияния междисковых зазоров и лабиринтных уплотнений на расчет; 5 -проанализировано влияние расчета по полной окружности всех элементов проточной части, так называемый 2π- расчет.

Все вычисления проводились на кластерах при поддержке проф. Ю.Я. Болдырева (директор отделения вычислительных ресурсов ИТК СПбГПУ). Параметры одного узла кластера: AMD Opteron 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).

Расчёт 6 точек характеристики компрессора проводился одновременно по 300 итераций, при которых наблюдалась сходимость решения, на что было затрачено  7 часов  45 минут. 2π- расчет потребовал значительно больше ресурсов  — 24 узла кластера, на решение задачи потребовалось 17 часов 45 минут.

После проведения вычислений проведена обработка  результатов численного эксперимента, которые сопоставлены с экспериментальными данными (рис. 1).На экспериментальной зависимости на графиках установлены маркеры относительной инженерной погрешность эксперимента, равной ±2,5%.   На графиках сечение 2-2 соответствует выходу из РК на расстоянии 1,05D₂, 3-3 соответствует выходу из БЛД, 0′-0′ соответствует выходу из ступени.

Рис.1 Графики политропного КПД по полным и статическим параметрам для различных задач.

На первых двух графиках видно хорошее совпадение результатов расчета с экспериментов в зоне оптимального режима и находится в области инженерной погрешностиэксперимента, однако при перемещении в зону максимальных расходов погрешность возрастает значительно. Погрешностивозникают ввиду появления низкоэнергетических зон — отрывов потока, связанных с ухудшением условий обтекания лопаточных аппаратов на данных режимах,поэтому наблюдается завышение характеристик, так как по результатам расчета отрывотсутствует,т.е. нет потерь энергии.

Анализ влияния рассчитанной по условиям входа для каждого режима  начальной турбулентности потока (рассчитывалась кинетическая энергия турбулентности и отношение турбулентной к молекулярной вязкости)  и шероховатости стенок (при расчете значение шероховатости установлено Ra=1,6 мкм.) расчет показал совпадение полученных характеристик.

Отключение от расчетной области междисковых зазоров и лабиринтных уплотнений привело к ожидаемому увеличению КПД характеристикив среднем на 2,2% в сечении 2-2 (рис.1 в), и на 1.6%-1.7% в выходном сечении, кроме одной точки в области минимального расхода, что связано с плохой сходимостью на режимах малой производительности, так как проявляются нестационарные предпомпажные процессы. Расчет проводился с интерфейсом stage во всей расчетной области.

Применение интерфейса stage во всей расчетной области (между входным патрубком и РК, РК и БЛД, БЛД и ОНА) привело к минимальной погрешности с экспериментом, наибольшая погрешность получается при использовании интерфейса frozen rotor(рис 1. г.). Также был просчитан вариант с критерием stage только на входе и выходе РК, расчет характеристики показал, что в сечении 0′-0′ характеристика завышена и уменьшается  от большего к меньшему расходу с 4% до 1,7%, в остальных сечениях характеристика идентична характеристики с параметром stage во всех сечениях.

Также представляет интерес расчет полной окружности — 2π расчет, предполагающий использование frozen rotor в местах стыковки расчетных областей. Полученный результат показывает на нерасчетных режимах занижение на ~(1%-2%) характеристики КПД по сравнению с расчётом сектора в сечениях 2-2 и 3-3; в сечении 0′-0′  наоборот завышение — это означает наличие влияния лопаточной решетки на поток, а также влияние неоднородного характера распределения параметров на решетке и влиянием следа за лопатками. На расчетном режиме наблюдается совпадение характеристик, ввиду наилучших условий обтекания и  отсутствия ударных потерь в лопаточном аппарате ОНА.

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. К.П. Селезнев, Ю.С. Подобуев, С.А. Анисимов. Теория и расчет турбокомпрессоров, 1968г., 408стр., изд.Машиностроение, Ленинград.

3. ANSYSCFX 14.0: UsersManual [Электронныйресурс] / ANSYSInc., 2011.