Исследование осерадиальных дозвуковых и трансзвуковых рабочих колес центробежных компрессоров методами вычислительной газодинамики с применением пакета программ ANSYS CFX

К.А. Кабалык , Е.Г.Никитин ,Ю.В. Кожухов, В. Крыллович

С развитием энергетики возрастает необходимость в центробежных компрессорах (ЦК) высокой эффективности. Структура потока в рабочих колесах (РК) центробежных компрессоров имеет сложных характер. Применение программных пакетов вычислительной гидродинамики (CFD) при проектировании или оптимизации конструкции позволяет существенно сократить объем экспериментальных исследований, а, следовательно, снизить себестоимость машины.

Целью работы является расчет характеристик двух типов ступеней ЦК: ступени, оснащенной дозвуковым осерадиальным колесом (ОРК),, и ступени с трансзвуковым ОРК, .

Расчет производится с применением пакета Ansys CFX.

Рис. 1 Эскиз дозвуковой ступени в меридиональной плоскости

Рис. 1 Эскиз дозвуковой ступени в меридиональной плоскости

Схема «дозвуковой» ступени в меридиональной плоскости представлена на рисунке 1. Основными элементами конструкции являются: диагональный ВНА c углом установки лопатки  (поз. A), полуоткрытое РК с выходным углом лопаток , диаметром  (поз. B); безлопаточный диффузор (БЛД), имеющий ширину  и выходной диаметр  (поз. C); спиральная камера (поз. D). Частота вращения ротора компрессора n=5500 об/мин.

Рис. 2 Расчетная модель «дозвуковой» ступени

Рис. 2 Расчетная модель «дозвуковой» ступени

Расчетная модель ступени представлена на рисунке 2. Для удобства построения расчетной сетки модель разделена на три блока: ВПБ (входной патрубок), ВНАБ, РБ (ротор). Первые два блока рассчитываются в неподвижной системе координат, блок ротора — во вращающейся.

Расчет ведется для одной лопатки ВНА и РК. Число лопаток ВНА zВНА=18, число лопаток РК: zРК=23

В сечении Inlet задаются значения полного давления p*in=0,1 МПа и полной температуры T*in=296 К. В сечении Outlet задается значение массового расхода . Рабочий газ – воздух.

На поверхностях H (hub), S (shroud), B (blade) задается граничное условие стенки с нулевым значением скорости. На поверхностях P (periodic) задается условие периодичности.

Проведено исследование влияния размера расчетной сетки, модели турбулентности (, , SST), интенсивности турбулентности на результат расчета.

В первом случае контролировались значения выходного полного давления и

суммарного крутящего момента на лопатках ВНА и РК. В двух других рассчитанное радиальное распределение угла потока на входе в РК в абсолютном движении  сравнивалось с экспериментальным (см. рис.3). Угол , град, откладывается от тангенциального направления (см. рис.1). По оси ординат отложена безразмерная высота канала , где -текущая высота,  — общая высота канала перед входной кромкой РК.

Рис. 3 Радиальные распределения угла 1 Выбор модели турбулентности. «Дозвуковая» ступень

Рис. 3 Радиальные распределения угла 1
Выбор модели турбулентности.
«Дозвуковая» ступень

Рис. 4 Рассчитанные напорные и экспериментальная напорная характеристики «Дозвуковая» ступень

Рис. 4 Рассчитанные напорные и экспериментальная напорная характеристики
«Дозвуковая» ступень

Рис. 5 Расчетные характеристики политропного КПД по полным параметрам «Дозвуковая» ступень

Рис. 5 Расчетные характеристики политропного КПД по полным параметрам
«Дозвуковая» ступень

Окончательная расчетная сетка состоит из 1,3 млн элементов — гексаэдров, имеет блочно-структурированную топологию. Наилучшее соответствие с экспериментом показала модель турбулентности SST. Изменение интенсивности входной турбулентности не привело к изменению результата расчета.

Рис. 6 Внешний вид трансзвукового РК

Рис. 6 Внешний вид трансзвукового РК

Сравнение расчетной и экспериментальной безразмерных напорных характеристик ступени представлено на рисунке 4. Экспериментальная характеристика соответствует осевой конфигурации ВНА. По оси ординат отложены коэффициент внутреннего напора  и коэффициент политропного напора по полным параметрам . По оси абсцисс отложен условный коэффициент расхода .

Рис. 7 Сегмент проточной части «Трансзвуковая» ступень

Рис. 7 Сегмент проточной части
«Трансзвуковая» ступень

На рисунке 5 представлено сравнение расчетных характеристик политропного КПД по полным параметрам  для РК (0-2) и РК совместно с БЛД (0-4). Определения параметров даны, например в [1.c.73,75].

Основные выводы по результатам исследования ступени с дозвуковым ОРК:

  1. Значения угла потока , рассчитанные по пакету Ansys CFX для расчетного режима работы компрессора , в среднем на 6% ниже, чем измеренные экспериментально.
  2. Значения коэффициента внутреннего напора , рассчитанные по результатам моделирования течения, примерно на 4-5 % ниже в сравнении с экспериментальными.

Поскольку протечки между основным диском и корпусом не моделировались, полученное соотношение расчетных и экспериментальных характеристик можно считать удовлетворительным.

  1. Характеристики коэффициента политропного напора и политропного КПД , рассчитанные для РК лежат выше характеристик, рассчитанных для РК совместно с БЛД. Данное соотношение не противоречит физическим представлениям о процессах потерь энергии вследствие трения и вихреобразования в БЛД.

 

Вторым объектом исследования выступало трансзвуковое ОРК полуоткрытого типа (рис.6) Расчётный режим работы компрессора: массовый расход =0,882 кг/с, статическая температура на входе Т=288 К, статическое давление на входе Р=97000 Па., частота вращения ротора n=60000 об/мин, выходной диаметр .Расчётной областью является сегмент проточной части с одной лопаткой. Сегмент ограничен в направлении центрального угла  — по средней линии межлопаточного канала, перед входом в РК — входным участком необходимой протяжённости, за выходом из РК — участком безлопаточного диффузора (рис. 7).

Для построения сеток было выбрано приложение TURBOGRID, поскольку является специализированным для турбомашин. Для исследования влияния количества элементов сетки на качество расчётов были построены три вида сетки для расчётной области (рис.7): на 300 тыс., 700 тыс. и 1300 тыс. элементов. Расчётные сетки структурированные. Элементами расчётной сетки являются гексаэдры. Они имеют наибольшее количество граней, что является предпочтительным.

Расчёт течения для данного объекта при трёх видах сеток по программе ANSYS CFX производится при следующих условиях:

  1. Рабочая среда — идеальный воздух.
  2. Модель турбулентности — , поскольку по опыту расчётов вязких течений на кафедре «Компрессорная, вакуумная и холодильная техника» СПбГПУ расчёты с применением данной модели показали наилучшие результаты [1].
  3. Граничные условия:

Вход (Inlet): полное давление, полная температура.

Выход (Outlet): массовый расход.

Стенка (wall) — без скольжения (скорость на стенке равна нулю).

  1. Вращающимися элементами являются лопатка РК и втулочная поверхность РК с небольшим участком на выходе РК; остальные элементы неподвижны.
Рис. 8 Результаты численного моделирования. «Трансзвуковая» ступень

Рис. 8 Результаты численного моделирования.
«Трансзвуковая» ступень

На данный момент исследована сетка, состоящая из 700 тыс. элементов. Характеристика ступени, полученная по результатам моделирования, представлена на рис.8

На данный момент ведется исследование влияния числа элементов сетки на изменение параметров.

 

ЛИТЕРАТУРА

  1. Гамбургер Д.М. Численное моделирование течения вязкого газа в центробежной компрессорной ступени: методика и результаты: дис. … канд. техн. наук – СПбГПУ, 2009. – 190 с.