Решалась стационарная задача. Модель турбулентности SST-высокорейнольдсовая, Y+ от 15. Расчетная модель и средневзвешенные параметры качества сетки приведены на рис. 5. Важным вопросом в постановке задачи является способ стыковки неподвижного СА и вращающегося РК. Следуя опыту расчетов транс- и сверхзвуковых ступеней, а также учитывая высокую степень окружной неравномерности вследствие невысокой степени парциальности [3], для стыковки СА и РК в стационарной постановке использовался интерфейс Frozen Rotor.Для определения осредненных параметров ступени было рассмотрено 4 характерных положения РК по углу поворота РК относительно СА. Результаты численных расчетов трехмерной модели исходного варианта ступени, выполненные в программном комплексе CFX, представлены на рис. 6−10. Визуализация потока на входе в сопла СА определила наличие значимой вихревой структуры потока седловидной формы п и к, рис. 6 и 7, что, впрочем, достаточно прогнозируемо. Однако интенсивность вихрей оказалась настолько мощной, что вихри «захватили» всю ПЧ сопла, рис. 8а, разделив поток посередине высоты сопла. Как видно на рис. 8а, корневой вихрь 1 вращается против часовой стрелки при взгляде по потоку, периферийный 2 — по часовой стрелке. Поток 1 практически не отслеживает цилиндрические обводы КС сопла, траектория движения близка к прямолинейной. На поток 2 цилиндричность обводов оказывает существенное воздействие. Разделение еще более контрастно определяется на рис. 9 и 10.
Постановкой задачи определены вопросы как исследования течения в турбинной ступени, так и определения осевого усилия, действующего на РК ступени. С целью определения осевого усилия, действующего на РК, в расчетную модель были включены области между диском РК и статорными деталями, имеющие место в реальной проточной части (рис. 4).
Фотографии СА и лопаток РК исследуемой ступени представлены на рис. 2 и 3.
Наметившийся в последнее время рост спроса на автономные мини- и микроисточники электроэнергии мощностью до 100 кВт стимулирует поиск путей повышения экономической эффективности таких агрегатов. Известно, что в силу малых размеров проточной части внутренний КПД микротурбинных ступеней, находящихся в составе этих установок, не превышает 30..35%. Установки мощностью менее 20 кВт характеризуются еще и тем, что применение турбинных ступеней классических типов в этом классе установок возможно лишь при малых степенях парциальности рабочего тела (РТ) (до 10÷15%), что влечет большие потери на трение и вентиляцию; внутренний КПД таких ступеней в сопоставимых условиях редко превышает 30%. Один из возможных путей решения этой проблемы — реализация концепции малорасходных ступеней конструкции ЛПИ [1], рис.1. Идея ступеней ЛПИ принадлежит профессору И.И. Кириллову, разработка и исследование высокоэффективных ступеней осуществлены под руководством профессора В.А. Рассохина. Отличительными чертами ступеней такого класса являются малые углы выхода потока из соплового аппарата (СА) α1= 3..5о, малые углы входа в рабочее колесо (РК) β1= 8..14о, большие углы поворота потока в РК Ω=151..164о, большой относительный шаг сопловых и рабочих лопаток (t/b > 4 и 1.1 соответственно), трансзвуковые и сверхзвуковые скорости в СА и РК. Поскольку такая ступень способна переработать значительный перепад энтальпий (до 330 кДж/кг и выше), общее количество ступеней в проектируемой установке снижается. До последнего времени проектировочные расчеты ступеней ЛПИ проводились в одномерной постановке с формированием цилиндрических поверхностей косого среза сопла. Аналитическое описание пространственной структуры потока в этих условиях является сложной и малоизученной в турбостроении задачей. Малые углы α1 приводят к нарушению естественного характера течения и снижению внутреннего КПД ступени. Использование трехмерных газодинамических расчетов на основе программного комплекса ANSYS CFX позволяет повысить качество проектирования проточных частей (ПЧ) ступеней ЛПИ и обеспечить их конкурентоспособность. Первой детально исследованной ступенью является ступень ЛПИ диаметром 126 мм с углом выхода из СА α1= 5°, углом входа в РК β1= 10.5° и без бандажа, степень парциальности ε=0.612, осевой зазор (ОЗ) Δzoз= 3 мм, проектная мощность 26 кВт (модель 605).
Авторы: Забелин Н.А., Раков Г.Л., Рассохин В.А., Себелев А.А., Смирнов М.В., СПбГПУ
Опыт численного моделирования течения в малорасходных турбинных ступенях конструкции ЛПИ
В 17-ом номере в разделе "CFX" представленна одна статья:
Журнал # 17 (26-04-2012) Военно-промышленный комплекс
Комментариев нет:
Отправить комментарий