Отработка проточных частей турбомашин

В.Г. Неня, канд. техн. наук, доц.

Рисунок 1 - Последовательное соединение насосных ступеней

Для двухпоточных насосов схема замещения составляется из параллельно соединенных насосных ступеней (рис. 2). Для этого типа насосов требуется решить проблему учета влияния разделения и слияния потоков на характеристики.

32

«Вісник СумДУ», №13(72), 2004

Течение в каждом типовом элементе рассчитывается отдельно. Исходными данными для расчета являются параметры потока на входе и выходе из элемента и геометрические характеристики проточного тракта. Такое обособление на первый взгляд может показаться неоправданным. Однако использование для расчета параметров потока метода последовательных приближений позволяет учесть взаимное влияние параметров потока в элементах.

Важнейшее влияние на результаты оказывает выбор математических моделей, описывающих течение перекачиваемой жидкости в типовых элементах. Поэтому чем больше будет приближаться используемая модель к реальному течению, тем лучше. Однако сложность используемой модели не должна снижать скорость расчета. При построении макромодели элемента для получения зависимости (1) можно использовать один из трех подходов: 1) обобщение результатов расчета на микроуровне с применением методов планирования эксперимента [8]; 2) обобщение результатов прямого эксперимента и разделение характеристик по элементам подобно методике, предложенной в работе [9]; 3) использование аналогий из технической гидромеханики.

Предложенный подход прогнозирования характеристик турбомашин на основе их макромоделей строится на базе библиотеки типовых элементов насосов. Макромодель позволяет легко оценивать влияние изменения конструкции на характеристики турбомашины и учитывать все потоки перекачиваемой среды в турбомашине (включая вспомогательные каналы и щели), а не только в элементах проточной части. Рассматриваемый подход является составной частью реализации блочно-модульного принципа проектирования центробежных насосов.

Совершенствование геометрии проточной части турбомашины

После выбора конструктивной схемы турбомашины ведется проектирование ее лопастной системы и других элементов проточной части.

В последние годы достигнут существенный прогресс в создании средств моделирования и расчета течений жидкости и газа, что позволяет выполнять расчет с высокой достоверностью получаемых результатов. Разработаны методы расчета, основанные на численном решении уравнений Навье - Стокса и уравнения неразрывности, описывающих наиболее общий случай движения этих сред (для турбулентных течений - уравнений Рейнольдса). Эти методы успешно применялись для расчета течений жидкости и газа в областях произвольной геометрической конфигурации, в том числе в проточных частях турбомашин.

Лучшие из этих методов были реализованы в виде коммерческих программных продуктов, и эти продукты получили широкое распространение на рынке. Судя по публикациям в ведущих международных журналах по гидромеханике, наиболее серьезных успехов добились, в частности, коллективы разработчиков CFX (Канада - Англия - Германия, http://www-waterloo.ansys.com/cfx/), STAR-CD (Англия, www.cd-adapco.com, www.adapco-online.com), Fluent (США, www.fluent.com), Numeca (Бельгия, www.numeca.be), FlowER (Украина, www.flower3d.org) и др.

Расчет течений жидкости и газа в лопастных турбомашинах с помощью указанных программных продуктов предполагает следующую последовательность действий [10]: подготовку геометрии исследуемой проточной части, построение расчетной сетки, выбор подходящей математической модели, задание граничных условий и других исходных данных, выполнение расчета и, наконец, визуализацию и анализ результатов расчета.

Вообще говоря, тенденцией развития ведущих программных продуктов является реализация в каждом из них набора математических моделей (ММ), позволяющих как можно более полно моделировать все встречающиеся на практике физические эффекты. Пользователь подключает нужные модели на стадии постановки задачи несколькими щелчками мышки, задавая затем соответствующие граничные условия и прочие требуемые данные.

Оптимизация геометрии турбомашин

В заключение остановимся на современных возможностях использования результатов оптимизационных расчетов для совершенствования геометрии проточной части. Для этого выделяются наиболее значимые независимые ее геометрические параметры, влияющие на показатели качества. Проводится серия расчетов течения перекачиваемой среды при различных значениях этих параметров. В современных программных продуктах, как правило, предусмотрены средства оптимизации геометрических параметров расчетной области (в частности, модуль Optimus в пакете FlowER). При этом пользователь должен поставить задачу оптимизации, т.е. указать параметры оптимизации, допустимый диапазон их изменения, прочие ограничения и целевую функцию, а также метод оптимизации. На каждом шаге оптимизации программа полностью выполнит численный расчет течения в рабочей области с соответствующим набором геометрических параметров. К сожалению, время расчета при этом оказывается чрезвычайно большим, что затрудняет сегодня широкое использование такого подхода на практике. Тем не менее в будущем он, видимо, станет мощным средством проектирования гидравлически совершенных проточных частей.

Выводы

В работе были рассмотрены основные современные подходы к проектированию турбомашин в ходе расчетного эксперимента.

Для выбора конструктивной схемы, позволяющей наилучшим образом реализовать требуемые функции турбомашины, используется макромоделирование. Рассмотренный выше подход к анализу течения жидкости в турбомашине на макроуровне остается эффективным для экономии вычислительных ресурсов. При анализе на микроуровне вспомогательные каналы, пазухи и уплотнительные щели исключаются из расчетной области, а течение перекачиваемой среды в этих элементах моделируется простыми зависимостями потерь напора от расхода. Дальнейшая отработка параметров основных элементов проточной части турбомашины требует более глубокого изучения течения рабочей среды. Для этого наиболее целесообразно использовать математические модели микроуровня.

Также в статье проведен обзор моделей течения жидкостей и газов, реализованных в ведущих программных продуктах, предназначенных для моделирования течений жидкости и газа. Обзор литературы свидетельствует, что перечисленные программные продукты (CFX, Fluent, STAR-CD и др.) позволяют адекватно моделировать сложные физические эффекты различной природы, в том числе для задач, в которых проведение физического моделирования крайне затруднительно.

Summary