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](https://uploads-ssl.webflow.com/577f3315340bfadb0a80534f/5cc5c1e8e8849991d2eba580_FloEFD-%D1%81%D0%BE%D0%B7%D0%B4%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B5-%D1%81%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BC%D1%8B-%D0%BE%D1%85%D0%BB%D0%B0%D0%B6%D0%B4%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F-%D0%BB%D0%BE%D0%BF%D0%B0%D1%82%D0%BA%D0%B8.jpg)
![FloEFD Эффективность охлаждения лопатки турбины](https://uploads-ssl.webflow.com/577f3315340bfadb0a80534f/5cc5c1fbee3926ce86b40aa9_FloEFD-%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%B0%D0%BB-%D0%BB%D0%BE%D0%BF%D0%B0%D1%82%D0%BA%D0%B8-%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D1%8B-%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D0%B2%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F.jpg)
- 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](https://uploads-ssl.webflow.com/577f3315340bfadb0a80534f/5cc5c73d0bc0c7ea1b4b8e3e_FloEFD-%D0%BD%D0%B5%D0%B0%D0%B4%D0%B0%D0%BF%D1%82%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%BD%D0%BE%D0%B8%CC%86-%D0%BA-%D0%BF%D0%BE%D0%B2%D0%B5%D1%80%D1%85%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8-%D0%BF%D1%80%D1%8F%D0%BC%D0%BE%D1%83%D0%B3%D0%BE%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE%D0%B8%CC%86-%D1%81%D0%B5%D1%82%D0%BA%D0%B8.jpg)
- 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](https://uploads-ssl.webflow.com/577f3315340bfadb0a80534f/5cc5c9510bc0c7594f4bcc89_FloEFD-%D0%B4%D0%BB%D1%8F-%D0%BB%D1%83%D1%87%D1%88%D0%B5%D0%B3%D0%BE-%D1%80%D0%B0%D0%B7%D1%80%D0%B5%D1%88%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F-%D1%81%D0%B5%D1%82%D0%BA%D0%B0-%D0%BC%D0%BE%D0%B6%D0%B5%D1%82-%D1%81%D0%B3%D1%83%D1%89%D0%B0%D1%82%D1%81%D1%8C%D1%8F.jpg)
- 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](https://uploads-ssl.webflow.com/577f3315340bfadb0a80534f/5cc5cb470bc0c71d614bfcc1_FloEFD-%D0%B4%D0%B2%D0%B0-%D0%BF%D0%BE%D0%B4%D1%85%D0%BE%D0%B4%D0%B0-%D0%BA-%D1%82%D1%80%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%BE%D0%B2%D0%BA%D0%B5-%D0%BF%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BD%D0%BE%D1%87%D0%BD%D1%8B%D1%85-%D1%8D%D1%84%D1%84%D0%B5%D0%BA%D1%82%D0%BE%D0%B2.jpg)
Тестовый расчёт – Лопатка NASA C3X
![FloEFD Тестовый расчёт – Лопатка NASA C3X](https://uploads-ssl.webflow.com/577f3315340bfadb0a80534f/5cc5cd2d1577b8b42d24af29_FloEFD-%D0%A2%D0%B5%D1%81%D1%82%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B8%CC%86-%D1%80%D0%B0%D1%81%D1%87%D0%B5%CC%88%D1%82-%E2%80%93-%D0%9B%D0%BE%D0%BF%D0%B0%D1%82%D0%BA%D0%B0-NASA-C3X.jpg)
![FloEFD Тестовый расчёт – Лопатка NASA C3X Размер сетки ~ 300 000 ячеек, время расчета 10 минут](https://uploads-ssl.webflow.com/577f3315340bfadb0a80534f/5cc5cd411577b8efc924b44e_FloEFD-%D0%A2%D0%B5%D1%81%D1%82%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B8%CC%86-%D1%80%D0%B0%D1%81%D1%87%D0%B5%CC%88%D1%82-%E2%80%93-%D0%9B%D0%BE%D0%BF%D0%B0%D1%82%D0%BA%D0%B0-NASA-C3X-(CADIS).jpg)
![FloEFD Тестовый расчёт – Лопатка NASA C3X источник экспериментальных данных](https://uploads-ssl.webflow.com/577f3315340bfadb0a80534f/5cc5cd53405a7aabb4364923_FloEFD-%D0%A2%D0%B5%D1%81%D1%82%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B8%CC%86-%D1%80%D0%B0%D1%81%D1%87%D0%B5%CC%88%D1%82-%E2%80%93-%D0%9B%D0%BE%D0%BF%D0%B0%D1%82%D0%BA%D0%B0-NASA-C3X-(1).jpg)
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](https://uploads-ssl.webflow.com/577f3315340bfadb0a80534f/5cc5d2bd405a7a4b49374b57_FloEFD-%D0%9B%D0%BE%D0%BF%D0%B0%D1%82%D0%BA%D0%B0-%D1%81-%D0%BA%D0%BE%D0%BD%D0%B2%D0%B5%D0%BA%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%BD%D1%8B%D0%BC-%D0%BE%D1%85%D0%BB%D0%B0%D0%B6%D0%B4%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%D0%BC.jpg)
![FloEFD Лопатка с конвективным охлаждением Распределение температуры лопатки](https://uploads-ssl.webflow.com/577f3315340bfadb0a80534f/5cc5d2dc1907ad8dba569a2e_FloEFD-%D0%9B%D0%BE%D0%BF%D0%B0%D1%82%D0%BA%D0%B0-%D1%81-%D0%BA%D0%BE%D0%BD%D0%B2%D0%B5%D0%BA%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%BD%D1%8B%D0%BC-%D0%BE%D1%85%D0%BB%D0%B0%D0%B6%D0%B4%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%D0%BC-(CADIS).jpg)
![FloEFD общий вид лопатки и каналов охлаждения Экспериментальные данные](https://uploads-ssl.webflow.com/577f3315340bfadb0a80534f/5cc5d3071907ad7f63569f8d_FloEFD-CFD-%D0%9B%D0%BE%D0%BF%D0%B0%D1%82%D0%BA%D0%B0-%D1%81-%D0%BA%D0%BE%D0%BD%D0%B2%D0%B5%D0%BA%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%BD%D1%8B%D0%BC-%D0%BE%D1%85%D0%BB%D0%B0%D0%B6%D0%B4%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%D0%BC.jpg)
Лопатка с пленочным охлаждением
![FloEFD Лопатка с пленочным охлаждением](https://uploads-ssl.webflow.com/577f3315340bfadb0a80534f/5cc5d389405a7a23773772b3_FloEFD-%D0%9B%D0%BE%D0%BF%D0%B0%D1%82%D0%BA%D0%B0-%D1%81-%D0%BF%D0%BB%D0%B5%CC%88%D0%BD%D0%BE%D1%87%D0%BD%D1%8B%D0%BC-%D0%BE%D1%85%D0%BB%D0%B0%D0%B6%D0%B4%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%D0%BC.jpg)
![FloEFD Лопатка с пленочным охлаждением. Размер сетки ~ 5 млн. ячеек](https://uploads-ssl.webflow.com/577f3315340bfadb0a80534f/5cc5d3ad1577b8791c25a0d9_FLOEFD-%D0%9B%D0%BE%D0%BF%D0%B0%D1%82%D0%BA%D0%B0-%D1%81-%D0%BF%D0%BB%D0%B5%CC%88%D0%BD%D0%BE%D1%87%D0%BD%D1%8B%D0%BC-%D0%BE%D1%85%D0%BB%D0%B0%D0%B6%D0%B4%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%D0%BC(1).jpg)
![FloEFD Лопатка с пленочным охлаждением](https://uploads-ssl.webflow.com/577f3315340bfadb0a80534f/5cc5d3cd1907ad0e2b56b77d_FloEFD-%D0%9B%D0%BE%D0%BF%D0%B0%D1%82%D0%BA%D0%B0-%D1%81-%D0%BF%D0%BB%D0%B5%CC%88%D0%BD%D0%BE%D1%87%D0%BD%D1%8B%D0%BC-%D0%BE%D1%85%D0%BB%D0%B0%D0%B6%D0%B4%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%D0%BC-%D1%80%D0%B5%D0%B7%D1%83%D0%BB%D1%8C%D1%82%D0%B0%D1%82%D1%8B.jpg)
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.
Thank you! Your submission has been received!
Oops! Something went wrong while submitting the form.