Использование FloEFD для расчета турбинных лопаток с внутренним охлаждением

Введение

  • Система охлаждения является в настоящее время неотъемлемой частью конструкции любой современной турбины. Непрерывное совершенствование и усложнение технологий охлаждения является обязательным условием реализации конкурентоспособной конструкции турбины – конструкции, в которой при увеличении температуры перед турбиной расход воздуха на охлаждение не перекрывает выигрыш в удельных параметрах двигателя, а ресурс деталей турбины соответствует требованиям заказчиков.
  • На современных гражданских ТРДД большой тяги уровень температуры газа перед турбиной практически сравнялся с уровнем температуры перед турбиной для военных ТРДД. Максимальная температура газа перед ротором ТВД достигает 1400-1550 С.
  • С учетом всех факторов для надежной работы средняя температура металлических лопаток не должна превышать 900...1000 С, а максимальный уровень - 1100 С. Уровень допустимых рабочих температур непосредственно зависит от характеристик применяемого материала лопаток.
FloEFD Необходимость создания эффективной системы охлаждения лопаток турбины
FloEFD позволяет провести моделирование системы охлаждения лопаток турбины
FloEFD Эффективность охлаждения лопатки турбины
Эффективность охлаждения лопатки турбины
  • С точки зрения общей эффективности турбины в двигателе обычно необходимо проектировать систему охлаждения во-первых – с минимальным расходом охлаждающего воздуха, а во-вторых – с использованием по мере возможности отбора воздуха из-за промежуточных ступеней компрессора.
  • Роль CFD методов становится одной из определяющей в общей конкурентоспособности конечного изделия.
  • Целью настоящей работы является количественная и качественная оценка возможности использования вычислительного комплекса FloEFD для расчета турбинных лопаток с внутренним охлаждением.
  • Особенность узлов и агрегатов двигателя и лопаток турбин: их геометрия сложна в той же степени в какой и конфиденциальна. Поэтому на данном этапе мы вынуждены использовать тестовые задачи, характеризующиеся более простой, но в то же время специфической геометрией, характерной именно для лопаточных элементов (сопловые и рабочие лопатки) газовых турбин с обязательным учетом всех или почти всех основных особенностей протекающих в них физических процессов.

Основные элементы технологии FloEFD

  • Идеология продуктов FloEFD базируется на 2-х основных принципах: 1) прямом использовании CAD программ в качестве источника геометрической информации; 2) комбинации прямого 3D CFD моделирования с относительно простыми инженерными моделями и методиками в тех случаях, когда сеточное разрешение является недостаточным для прямого 3D моделирования.
  • Поскольку EFD технология встроена в различные CAD программы (Solid Edge, SOLIDWORKS, NX, Creo, CATIA), она изначально разрабатывалась в качестве универсальной CAD/CFD платформы, включающей в себя множество под-технологий (управление данными CAD, быстрое построение сетки, различные CFD солверы, инженерные методы расчета, обработка результатов и т.д.).
  • Подход, основанный на использовании адаптированных к поверхности сеток очень чувствителен к возможным особенностям и дефектам в геометрии CAD моделей.
  • В основе альтернативного подхода заложено использование неадаптированной к поверхности прямоугольной сетки (improved immersed-body mesh). Построение сетки начинается независимо от самой геометрии, при этом ячейки могут пересекать границу между твердым телом и жидкостью произвольным образом. Это делает возможным использовать численные алгоритмы, оптимизированные к декартовой прямоугольной сетке.
FloEFD Использование неадаптированной к поверхности прямоугольной сетки
Использование неадаптированной к поверхности прямоугольной сетки
  • Декартова прямоугольная сетка и сеточная технология являются ключевыми элементами связки и взаимодействия CAD/CFD.
  • Существуют ячейки, которые полностью расположены в теле (твердотельные ячейки), в жидкости (жидкостные ячейки) и ячейки, разделенные поверхностью тела (“частичные ячейки”). В самом простом случае частичная ячейка состоит из двух контрольных объемов (CV): флюидного и твердотельного. Для лучшего разрешения геометрии или решения сетка может дополнительно сгущаться путем дробления.
  • Все геометрические данные берутся непосредственно из CAD модели (Solid Edge, SOLIDWORKS, NX, Creo, CATIA).
  • Такая технология позволяет получить хорошее разрешение особенностей геометрии даже на относительно грубых сетках.
FloEFD Для лучшего разрешения геометрии или решения сетка может дополнительно сгущаться путем дробления
Для лучшего разрешения геометрии или решения сетка может дополнительно сгущаться путем дробления

  • В целом используемый во FloEFD подход, основанный на декартовой сетке, позволяет выполнять расчеты сложных сопряженных и мульти-физических задач на одной (единой) сетке.
  • В пакете FloEFD решаются усредненные уравнения Навье-Стокса, описывающие течения жидкости и газа, дополненные уравнением состояния, уравнением сохранения массы потока, полной энергии, массы компонент. Специальные модели используются для описания неньютоновских жидкостей, реальных газов, объемной и поверхностной конденсации и испарения, кавитации, горения и течения в пористых средах.
  • FloEFD моделирует и ламинарные, и турбулентные течения. Для замыкания системы уравнений используется k-ε модель турбулентности в модификации Лэма-Бремхорста с возможностью ламинарно-турбулентного перехода.
  • Основная проблема такого рода декартовых сеток состоит в разрешении пограничных слоев (ПС) на грубых сетках.
  • FloEFD использует два подхода к трактовке пристеночных эффектов, позволяющие увязать расчет ПС с расчетом течения в ядре потока:

1) Модель “тонкого” ПС используется в тех случаях, когда число ячеек поперек слоя не достаточно для прямого и даже упрощенного определения скоростных и температурных профилей в ПС (уникальная подсеточная модель ПС);

2) Модель “толстого” ПС применяется когда число ячеек поперек слоя достаточно или превышает число, необходимое для его точного разрешения (модифицированные пристеночные функции).

  • В промежуточном случае используется компиляция двух вышеприведенных подходов таким образом, чтобы гарантировать плавный переход между двумя моделями.
FloEFD использует два подхода к трактовке пристеночных эффектов
FloEFD использует два подхода к трактовке пристеночных эффектов: 1) модель "тонкого" пограничного слоя 2) модель "толстого" пограничного слоя

Тестовый расчёт – Лопатка NASA C3X

FloEFD Тестовый расчёт – Лопатка NASA C3X
Тестовый расчёт – Лопатка NASA C3X
FloEFD Тестовый расчёт – Лопатка NASA C3X Размер сетки ~ 300 000 ячеек, время расчета 10 минут
Размер сетки ~ 300 000 ячеек, время расчета 10 минут
FloEFD Тестовый расчёт – Лопатка NASA C3X источник экспериментальных данных
Экспериментальные данные

Лопатка с конвективным охлаждением

Исходные данные:

  • Материал лопатки X5CrNi18-10
  • Охладитель – водяной пар (моделируется как реальный газ), T=468.67 K
FloEFD Лопатка с конвективным охлаждением. Размер сетки ~ 1.5 млн. ячеек
Лопатка с конвективным охлаждением. Размер сетки ~ 1.5 млн. ячеек

FloEFD Лопатка с конвективным охлаждением Распределение температуры лопатки
Распределение температуры лопатки
FloEFD общий вид лопатки и каналов охлаждения Экспериментальные данные
Экспериментальные данные

Лопатка с пленочным охлаждением

FloEFD Лопатка с пленочным охлаждением
Лопатка с пленочным охлаждением
FloEFD Лопатка с пленочным охлаждением. Размер сетки ~ 5 млн. ячеек
Лопатка с пленочным охлаждением. Размер сетки ~ 5 млн. ячеек
FloEFD Лопатка с пленочным охлаждением

Выводы

  • Продемонстрирована валидация вычислительного комплекса FloEFD применительно к задачам, связанным с расчетом аэродинамических, температурных и тепловых режимов линейных рядов сопловых турбинных лопаток с разными типами внутреннего охлаждения (конвективный, пленочный) при различных значениях рабочих параметров.
  • Комбинация высокой робастности и эффективности при расчетах на относительно грубых сетках, полная интеграция в CAD системы (Solid Edge, SOLIDWORKS, NX, Creo, CATIA) и высокий уровень автоматизации вместе с простотой использования показывают большой потенциал использования вычислительного комплекса FloEFD в CFD расчетах теплового состояния лопаточных элементов современных турбин.

Авторы:

  • Иванов Андрей Валерьевич, к.т.н. Mentor Graphics, Mechanical Analysis Division
  • Гуров Леонид Валерьевич, к.ф.м.н. Mentor Graphics, Mechanical Analysis Division

III Международный технологический форум«Инновации. Технологии. Производство», г. Рыбинск, Ярославская область, 04 - 06 апреля 2016 г.

По вопросам приобретения, бесплатного тестирования и любым другим вопросам, пожалуйста, обращайтесь:
📨  info@cad-is.ru 📞 7 (495) 175-571-4 или через форму обратной связи: https://www.cad-is.ru/forms/price

Дополнительные статьи по теме