Введение к работе
Актуальность темы. Нестационарный характер, присущий потоку газа в турбомашинах, обусловлен газодинамическим взаимодействием соседних неподвижных и вращающихся решеток профилей (статор-ротор взаимодействием).
Основными источниками нестационарпости при взаимодействии статор-ротор являются дозвуковое потенциальное взаимодействие, взаимодействие ударных волн и взаимодействие следа. Дозвуковое потенциальное взаимодействие возникает вследствие взаимного перемещен.? -т лопаток статора и ротора и проявляется в виде нестационарных воли давления, распространяющихся вниз и вверх по потоку и, соответственно, периодически изменяющих кинематическое поле давления частиц газа. Следствием этого нестационарного потенциального взаимодействия (распространения волн давления в продольном направлении) является и периодическое изменение толщины пограничного слоя и, соответственно, интенсивности вихревого следа за выходными кромками лопаток. В результате конвекции этого вихревого следа в решетку профилей вниз по потоку происходит взаимодействие следа с этой решеткой. Если поток становится сверхзвуковым в районе выходной кромки лопатки, то формирующаяся система ударных воли будет взаимодействовать с входной кромкой лопатки вниз по потоку, увеличивая амплитуду пульсаций давления.
Нестационарные явления в турбомашинах оказывают сильное влияние на работоспособность турбин и компрессоров. Таким образом, создание надежно работающих турбомашин, имеющих высокие удельные параметры и ресурс, невозможно без системы проектирования, по возможности более точно моделирующих эти явления.
Главной целью моделирования нестационарных течений при проектировании турбомашин является получение достоверных граничных условий теплового и силового нагружения лопаток, а также исследование источников порождения энтропии (и, соответственно, потерь). Традиционно, для исследования и решения проблемы определения нестационарных граничных условий совместно использовались теоретический и экспериментальный подходы. С появлением быстродействующих ЭВМ и развитием численных методов стало возможным применять третий подход -вычислительного эксперимента. В последние годы сформировалось и полушло интенсивное развитие новое научное направление - исследование нестационарных явлений в турбомашинах числепными методами (с использованием CFD технологии
(Computational Fluid Dynamic - вычислительная газовая динамика)), а сочетание экспериментального и численного подходов привело к значительному прогрессу в области понимания проблем интерференции.
Теория нестационарных явлений в турбомашинах была фундаментально разработана в нашей стране Г.С.Самойловичем и его школой в 1960-х годах. Однако, до появления быстродействующих ЭВМ в практике проектирования турбомашин для оценки нестационарных явлений, как правило использовались критерии, основанные на экспериментальных исследованиях. В результате была создана база знаний, позволяющая делать значимые для практики оценки вновь создаваемых конструкций турбомашип. Наиболее полно эта база знаний представлена в работах ЦИАМ.
Впервые в нашей стране постановка и численное решение задачи нестационарного газодинамического взаимодействия лопаток статора и ротора при обтекании их сжимаемым газом была осуществлена В.И.Гцесиным в 1976 г. И хотя уровень развития ЭВМ в то время был недостаточен для проведения тонких численных экспериментов и решения практических задач проектирования, это новое иаучное направление получило быстрое развитие. В настоящее время наиболее известна своими разработками в области численного моделирования стационарных и нестационарных явлений в турбомашинах научная школа М.Я.Иванова (ЦИАМ).
Большой вклад в развитие численных методов моделирования явлений в турбомашинах, а также в исследования этими методами тонких эффектов нестационарного взаимодействия внесли известные зарубежные ученые Lakshminarayana (Университет штата Пенсильвания), Sharma (Pratt and Whitney), Epstein (Массачусетский Техн. Институт), Eulitz (Институт технологии двигателей в Кёльне), Bakhle (NASA, центр им.Льюиса), Агпопе (Кафедра проектирования двигателей, Университет Флоренция, Италия), Fourmaux (ONERA, Франция) и другие.
Экспериментальные исследования Дринга, Батлера (United Technologies Research Center, 1986) и Шанга (Pratt and Whithey, 1995) позволили оценить надежность предложенных моделей и вывести их из области исследований в область практического проектирования турбомашин.
Все эти модели основаны на существующей методике расчета стационарного (замороженного) статор-ротор взаимодействия с различным типом описания границ интерфейса между решетками. В этих областях осуществляется стыковка расчетных адаптивных сеток, что может приводить к существенным погрешностям при расчете
сверх- и трансзвуковых течений. При нестационарном статор-ротор взаимодействии (взаимном движении сеток) эта погрешность, как правило, увеличивается.'
Сегодня особенности технологии и системно обобщенные данные этих исследований являются "ноу-хау" фирм-разработчиков. Имеющаяся информация по вопросу нестационарного статор-ротор взаимодействия является разрозненной и неполной. Отсутствуют рекомендации по управлению феномепами нестациопарпости, а если они и существуют, то относятся к конкретной исследованной геометрии и режимам работы. Опубликованные результаты в некоторых случаях противоречивы.
В связи с изложенным, тема диссертационной работы, посвященная моделированию нестационарных газодинамических явлений в турбомашинах и его применению при разработке газотурбинных двигателей (ГТД) является актуальной.
Данная работа выполнена на кафедре "Авиационные двигатели и энергетические установки" Пермского государственного технического университета.
Цель работы состоит в (я) создании математической модели, методов и алгоритмов для численного анализа нестационарных газодинамических явлений в турбомашинах; (б) разработке методологии использования результатов численного моделирования нестационарного статор-ротор взаимодействия в процессе проектирования турбомашин.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
-
Разработан программный комплекс для расчета нестационарного статор-ротор взаимодействия соседних решеток профилей;
-
Выполнена серия расчетов нестационарного статор-ротор взаимодействия соседних решеток профилей турбины высокого давления (ТВД) ГТД, с учетом периодически перавпомерного поля температуры на входе в ТВД;
-
Разработана методика оценки влияния нестационарного статор-ротор взаимодействия и периодической неравномерности поля температуры на аэродинамическое и тепловое нагружение лопаток.
Метод исследования. Поставлешгые в диссертационной работе задачи решены с нспользоваїшем метода крупных частиц - метода прямого численного интегрирования уравнений газовой динамики.
Научная новизпа результатов заключается в следующем:
1. Впервые для решения задач нестационарного статор-ротор взаимодействия был предложен подход и разработана методика исключающие при численном
моделировании в области особого зазора стыковку расчетных сегок, а значит, и погрешность аппроксимации.
-
Впервые получены результаты нестационарного статор-ротор взаимодействия с учетом периодической неравномерности поля температуры на выходе из камеры сгорания (на входе в ТВД) при расчете всего поля течения в единой (абсолютной) системе координат.
-
Впервые предложена и апробирована методика использования результатов нестационарного статор-ротор взаимодействия для оценки вибронапряжений в рабочей лопатке ТВД с помощью прочностного п; эта ANSYS.
Практическая ценность состоит в следующем:
-
Разработан комплекс программ (КП) "ПЛУТОІГ', который может быть использован для численного исследования нестационарного газодинамического взаимодействия соседних решеток профилей.
-
Результаты численного эксперимента могут быть использованы как граничные условия для расчета нестационарного пограничного слоя, определения нестационарного напряженно-деформированного состояния пера лопатки и др.
-
Статистически обработанные результаты нестационарного газодинамического взаимодействия решеток профилей могут быть использованы как критерии проектирования турбомашин.
Достоверность результатов работы подтверждается хорошим согласованием расчетных данных с результатами натурного эксперимента. Эксперимент был поставлен на полноразмерном ГТД.
Внедрение результатов. КП "ПЛУТОН''' применяется на ОАО "Авиадвигатель" для проектирования нестационарного аэродинамического и термического нагружения лопаток турбин высокого и низкого давления.
На зашиту выносится:
-
Математическая модель нестационарного газодинамического взаимодействия соседних решеток профилей.
-
Системная оценка нестационарного газодинамического взаимодействия соседних решеток профилей в турбине ГТД с учетом неравномерности поля температуры на выходе из КС.
-
Методология использования результатов численного моделирования нестационарного статор-ротор взаимодействия в процессе проектирования турбомашин
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научно-практической конференции "Газотурбинные двигатели наземного применения. Проблемы конструирования камер сгорания и турбин" (ОАО "Авиадвигатель", г. Пермь, 28-30.11.1995), международном симпозиуме "Актуальные проблемы механики сплошных и сыпучих сред" (МАИ, г. Москва, 5-8.02 1997), отраслевой конференции "Многорежимные ГТД" (секция "Компрессоры и турбины", г. Москва, ЦИЛМ, 15-17.04 1997), международной конференции "Joint Propulsion Conference & Exhibit" (секция "Turbomachinery unsteady flows phenomena and forced vibration response", США, Сиэтл, 6-9.07 1997), на XV научно-технической конференции "Пути и методы совершенствования систем и образцов ракетного вооружения, их эксплуатация и боевое применение", (г. Пермь, ВКИУ, 4-5.11 1997).
Публикации, Основное содержание работы отражено, в 7й печатных работах, в том числе в статьях представленных на международных 33е и 34оЯ конференциях "Joint Propulsion Conference & Exhibit" (США, Сиэтл, 6-9.07 1997 и Кливленд, 12-15.07 1998), статье опубликованной в журнале "Турбины и компрессоры" (Санкт-Петербург, Вып. 3-4, 1997), тезисах к четырем конференциям, и двух технических отчетах (ОАО "Авиадвигатель").
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 138 листах машинописного текста и списка использованных источников из 86 наименований.
