Состояние и перспективы развития о. В. Алексенко, асп.; А. Н. Кочевский, канд техн наук icon

Состояние и перспективы развития о. В. Алексенко, асп.; А. Н. Кочевский, канд техн наук




НазваСостояние и перспективы развития о. В. Алексенко, асп.; А. Н. Кочевский, канд техн наук
Дата14.07.2012
Розмір98 Kb.
ТипДокументи

УДК 510.67: 533.6


РАСЧЕТНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ
ПРИ ОТРАБОТКЕ ПРОТОЧНЫХ ЧАСТЕЙ ТУРБОМАШИН –
СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ



О.В. Алексенко, асп.; А.Н. Кочевский, канд. техн. наук;

В.Г. Неня, канд. техн. наук, доц.

Сумский государственный университет


ВВЕДЕНИЕ

Течения жидкостей и газов играют ключевую роль в рабочем процессе турбомашин. Проектирование этих устройств на требуемые параметры работы невозможно без надежного прогнозирования характеристик течений. Поскольку многие современные турбомашины являются дорогостоящими и трудоемкими в изготовлении, физическое моделирование с экспериментальным определением параметров их работы на различных режимах, как правило, требует больших временных и финансовых затрат. Вследствие самой природы этих сред течения жидкостей и газов нередко происходят весьма сложным образом, с образованием нестационарных эффектов, застойных зон и вихревых структур. Эти факторы обуславливают растущий интерес к средствам математического моделирования течений жидкостей и газов, позволяющих прогнозировать характеристики течений и параметры работы устройств на стадии их проектирования, до изготовления в металле.

Современный уровень развития информационных технологий открывает новые возможности для проектирования и расчета новой техники, в том числе турбомашин. Эти возможности обусловлены стремительным ростом вычислительной мощности персональных компьютеров и появлением компьютерных программ, позволяющих облегчить и сделать более дешевым и качественным процесс проектирования новых машин. В данной работе мы рассматриваем подход к проектированию проточных частей турбомашин, опирающийся на максимально большое использование результатов расчетных экспериментов [1, 2].


Выбор конструктивной схемы турбомашины

Исходными данными для разработки проточной части турбомашины являются значения напора и подачи, которые она должна обеспечивать при заданном числе оборотов ротора турбомашины. Показателями ее совершенства являются КПД, надежность, долговечность, стоимость изготовления и обслуживания. В зависимости от соотношения исходных параметров и с учетом показателей качества проточной части выбирается ее конструктивная схема. Для выполнения выбора возможно более совершенной рассматриваемой конструктивной схемы полезным является использование результатов моделирования на макроуровне. При исследовании турбомашин необходимо иметь представление, как взаимодействие различных конструктивных элементов влияет на общие энергетические характеристики [3].

Турбомашины разнообразны по конструктивному исполнению и большинство из них имеет небольшие габариты. Перетоки из элементов проточной части во вспомогательный тракт весьма существенны по сравнению с рабочим расходом, что влияет на рабочую точку турбомашины – для машины в целом она не совпадает с рабочей точкой суммы основных элементов проточной части. Исследование рабочего процесса не дает нам полного ответа на вопрос о характеристиках разрабатываемой машины, так как на них влияют и вспомогательные элементы конструкции, взаимодействующие с рабочей средой. Поэтому при расчете течения в турбомашинах необходимо рассматривать макромодель центробежного насоса.

Впервые использование макромодели в ходе проектирования лопастной машины было предложено А.С. Байбиковым и В.К. Караханьяном в работе [5]. Подобный подход для расчета течения в турбомашине на основе электрогидравлической аналоги предлагается в работах [6,7]. Замена рассматриваемой машины графом позволяет построить модель исследуемой системы на основе математических моделей ее элементов.

Сущность данного подхода состоит в разделении турбомашины на типовые элементы, их замене моделями и дальнейшем объединении этих моделей в макромодель, подобную гидравлической сети. В турбомашине таковыми элементами являются подвод, рабочее колесо, отвод,
зазоры между дисками колеса и корпусом, каналы и отверстия в
роторе и корпусе, щели уплотнений, каналы разгрузочных устройств, щели между ротором и корпусом. В единую систему элементы объединяются на основе подходов теории сетей. Таким образом, турбомашина заменяется эквивалентной гидравлической или пневматической схемой, иллюстрирующей маршрут протекания перекачиваемой среды через эти элементы. Для каждого элемента записываются компонентные уравнения, выражающие зависимость перепада давления на этом элементе от расхода перекачиваемой среды через этот элемент. Эти уравнения составляются на основе известных теоретических, расчетных или экспериментальных данных. Макромодель насоса замыкается топологическими уравнениями, аналогичными законам Кирхгофа, записанными для ветвей и узлов, т.е. мест слияния и разделения потоков [4]:


,

,

,


где ^ А – матрица соединений; В – матрица контуров; Q – вектор узловых расходов; Н – вектор напоров, создаваемых типовыми элементами; Р – вектор узловых давлений; x – вектор расходов в ветвях; - вектор потерь напора на элементе; а – коэффициент гидросопротивления элементов ветви; F – характерные геометрические размеры элемента.

Схема замещения многоступенчатого насоса строится последовательным соединением ступеней (рис. 1). На рисунке НС – насосная ступень, РК – рабочее колесо, НА – направляющий аппарат, ПП – передняя пазуха, ПУ – переднее уплотнение, ЗП – задняя пазуха, ЗУ – заднее уплотнение.



^ 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.


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



The article describes various aspects of mathematical modeling of fluid flows with reference to hydraulic machinery. The article reviews corresponding methods of mathematical modeling. Implementation of these aspects in modern commercial CFD-tools is described together with advantages and disadvantages of implemented methods. The conclusion is drawn concerning possibilities of computation of fluid flows nowadays.

^

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ





  1. Евтушенко А.А. Задача создания средств ведения расчетного эксперимента в насосостроении //Праці II Республіканської науково-технічної конференції “Гідроаеромеханіка в інженерній практиці.”– Черкаси: ЧІТІ, 1998.–С.45-50.

  2. Евтушенко А.А., Неня В.Г. Математические модели для создания средств ведения расчетного эксперимента в насосостроении // Физико-технические и технологические приложения математического моделирования: Сб.науч.тр./НАН Украины, Ин-т математики. – К.:1998.–С.93-96.

  3. Алексенко О.В., Неня В.Г. Основы методики макромоделирования центробежных насосов // Вісник СумДУ. - Суми: СумДУ, 2003. – №13(59).- С.156-161.

  4. Алексенко О.В., Неня В.Г. Прогнозирование характеристик центробежных насосов на основе макромоделирования // Удосконалювання турбоустановок методами математичного і фізичного моделювання: Зб. наук. праць / Редкол.: Ю.М. Мацевитий (відп. ред.) та ін. – Харків: ІПМаш ім. А.М. Підгорного НАН України, 2003. – Т.2. – С.543-548.

  5. Байбиков А.С., Караханьян В.К. Гидродинамика вспомогательных трактов лопастных машин. – М.: Машиностроение. – 1982. – 110 с.

  6. Костишин В.С. Моделювання режимів роботи відцентрових насосів на основі електрогідравлічної аналогії. – Івано-Франківськ, 2000. – 164 с.

  7. Сипайлов Г.А., Санников Д.И., Жадан В.А. Тепловые, гидравлические и аэродинамические расчеты в электрических машинах. – М.: Высшая школа. – 1989. – 240 с.

  8. Алексенко О.В., Неня В.Г. Методические основы проведения вычислительного эксперимента // Вестник НТУУ «КПИ». – К.: НТУУ «КПИ». – 2000. – С. 100 - 103.

  9. Бирюков А.И., Кочевский Н.Н., Тимшин А.И. Пересчет характеристик центргобежных насосов при подрезке рабочего колеса // Лопастные насосы. – Л.: Машиностроение, 1975. – С. 16 – 21.

  10. Кочевский А. Н., Неня В. Г. Современный подход к моделированию и расчету течений жидкости в лопастных гидромашинах // Вестник СумГУ. – Сумы, 2003. – № 13 (59). – С. 195-210.

  11. Кочевський О. М. Оптимізація геометричних параметрів відвідних пристроїв насосів високої швидкохідності з лопатевою системою типу НР: Дис... канд. техн. наук. – Суми: СумДУ, 2001. – 195 с.

  12. Cebeci T., Smith A. M. O. Analysis of Turbulent Boundary Layers. – Academic Press,
    New York, 1984.

  13. Приходько О. А., Сьомін Д. О. Технічна аеромеханіка: Навчальний посібник. – Луганськ: Вид-во Східноукраїнського нац. ун-ту ім. В. Даля, 2002. – 170 с.

  14. Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика. – 3-е изд. изд-ва “Наука”, М.: Гл. ред. физ-мат. лит-ры, 1969. – 824 с.



Поступила в редакцию 21 октября 2004



«Вісник СумДУ», №13(72), 2004

Схожі:

Состояние и перспективы развития о. В. Алексенко, асп.; А. Н. Кочевский, канд техн наук iconТурбомашины для перекачивания газожидкостных смесей евтушенко А. А., канд техн наук, доц.; Колисниченко Э. В., асп.; Сапожников С. В., канд техн наук
Евтушенко А. А., канд техн наук, доц.; Колисниченко Э. В., асп.; Сапожников С. В., канд техн наук
Состояние и перспективы развития о. В. Алексенко, асп.; А. Н. Кочевский, канд техн наук iconГосударственный стандарт союза сср конструкции и изделия железобетонные радиационный метод определения толщины защитного слоя бетона, размеров и расположения
Л. Г. Родэ, канд техн наук; В. А. Клевцов, д-р техн наук; Ю. К. Матвеев; И. С. Лифанов; В. А. Воробьев, д-р техн наук; Н. В. Михайлова,...
Состояние и перспективы развития о. В. Алексенко, асп.; А. Н. Кочевский, канд техн наук iconОсевого насоса с лопастной системой типа нр а. А. Евтушенко*, канд техн наук; А. Н. Кочевский*; канд техн наук; Н. А. Федотова*
Украине отсутствует. В СССР такие насосы были разработаны около 30 лет назад и выпускались предприятиями “Уралгидромаш” и “Молдавгидромаш”,...
Состояние и перспективы развития о. В. Алексенко, асп.; А. Н. Кочевский, канд техн наук iconСтроительные нормы и правила отопление, вентиляция и кондиционирование сниП 04. 05-91*
Ссср (д-р техн наук Е. Е. Карпис, М. В. Шувалова), вниипо мвд СССР (канд техн наук И. И. Ильминский), мниитэп (канд техн наук М....
Состояние и перспективы развития о. В. Алексенко, асп.; А. Н. Кочевский, канд техн наук iconТечений жидкости в лопастных гидромашинах а. Н. Кочевский, канд техн наук; В. Г. Неня, канд техн наук
Лишь в последние годы был достигнут существенный прогресс в создании средств моделирования и расчета течений жидкости, позволяющих...
Состояние и перспективы развития о. В. Алексенко, асп.; А. Н. Кочевский, канд техн наук iconГосударственный стандарт союза сср трапы чугунные эмалированные технические условия гост 1811-81
О. П. Михеев, канд техн наук (руководитель темы); В. И. Фельдман, канд техн наук; В. И. Горбунов, канд техн наук
Состояние и перспективы развития о. В. Алексенко, асп.; А. Н. Кочевский, канд техн наук iconПо делам строительства москва разработан министерством промышленности строительных материалов СССР исполнители
В. А. Лопатин, канд техн наук; Н. Н. Бородина, канд техн наук; Т. А. Мелькумова; В. И. Голикова; Л. Г. Грызлова, канд техн наук;...
Состояние и перспективы развития о. В. Алексенко, асп.; А. Н. Кочевский, канд техн наук iconС помощью пакета cfx н. И. Волков, д-р техн наук, проф.; А. Н. Кочевский, канд техн наук
Представлены результаты расчета ряда простых внутренних течений жидкости в каналах и проведено сопоставление с известными экспериментальными...
Состояние и перспективы развития о. В. Алексенко, асп.; А. Н. Кочевский, канд техн наук iconГосударственный стандарт союза сср трубы чугунные канализационные и фасонные части к ним сортамент гост 6942. 1-80
О. П. Михеев, канд техн наук (руководитель темы); В. И. Фельдман, канд., техн наук; В. Н. Бехалов, канд техн наук
Состояние и перспективы развития о. В. Алексенко, асп.; А. Н. Кочевский, канд техн наук iconГосударственный стандарт союза сср трубы чугунные канализационные и фасонные части к ним. Муфты конструкция и размеры гост 6942. 22-80
О. П. Михеев, канд техн наук (руководитель темы); В. И. Фельдман, канд техн наук; В. Н. Бехалов, канд техн наук
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи