Численное моделирование трехмерного течения в решетках и ступенях малорасходных турбин ЛПИ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.12, кандидат технических наук Епифанов, Андрей Андреевич

• Епифанов, Андрей Андреевич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Епифанов, Андрей Андреевич

Основные обозначения.

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса, задачи и методы исследования.

1.1. Состояние вопроса.

1.2. Цель и задачи исследования.

1.3. Методы исследования.

1.4. Выбор гидродинамического программного комплекса.

Глава 2. Решетки малорасходных турбин.

2.1. Моделирование турбулентности.

2.2. Сеточное влияние.

2.3. Влияние входной интенсивности турбулентности.

2.4. Влияние положения плоскости осреднения за решеткой.

2.5. Верификация расчета по опытным данным.

Глава 3. Ступени малорасходных турбин.

3.1. Влияние способа сопряжения течения в сопловой и рабочей решетках.

3.2. Верификация результатов численного моделирования.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Численное моделирование трехмерного течения в решетках и ступенях малорасходных турбин ЛПИ»

Актуальность темы. Малорасходные турбины ЛПИ находят широкое применение в различных областях техники: в наземном и морском транспорте, в специальной технике, в малой энергетике, в качестве привода нагнетателей, насосов и иного оборудования. Такие турбины компактны и сравнительно просты в изготовлении.

Отличительная особенность малорасходных турбин - малые углы выхода сопловой и малые углы входа рабочей решеток, большие углы поворота в рабочей решетке, большие безразмерные шаги решеток, малые безразмерные длины лопаток. Турбины ЛПИ срабатывают повышенный перепад энтальпий в малом числе ступеней при повышенной экономичности. Течение в малорасходных турбинах - транс- и сверхзвуковое.

В основе разработанного класса малорасходных турбин ЛПИ лежат результаты многолетних стендовых исследований, которые продолжаются на кафедре ТДУ и сегодня. Вместе с тем стендовые испытания - не единственный в настоящее время способ отработки проточных частей турбин. Достигнутые за последние годы успехи в развитии вычислительной гидродинамики позволяют существенно сократить долю экспериментальных и доводочных работ при исследовании решеток и ступеней турбомашин. Программные комплексы вычислительной гидродинамики, ориентированные, в частности, на численное моделирование течения в проточных частях турбомашин, позволяют в короткие сроки и с меньшими трудозатратами получить детальную информацию о структуре течения и определить интегральные характеристики турбины.

Цель работы - детально изучить возможности программного комплекса АЫ8У8 СБХ и настроить его для расчета течения в решетках и ступенях малорасходных турбин ЛПИ. Поскольку результаты работы предполагается использовать для усовершенствования процесса проектирования малорасходных турбин ЛПИ, локальные и интегральные характеристики решеток и ступеней должны рассчитываться с приемлемой для инженерных целей точностью.

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи исследования:

-изучить свойства выбранного газодинамического комплекса применительно к моделированию течения в малорасходных турбинах ЛПИ;

-отработать методические вопросы постановки численного эксперимента применительно к моделированию течения в решетках малорасходных турбин;

-верифицировать расчет обтекания сопловых и рабочих решеток малорасходных турбин в широком диапазоне чисел Маха по опытным данным;

- исследовать влияние способов сопряжения течения в сопловой и рабочей решетках в составе малорасходной ступени на структуру течения и интегральные характеристики ступени;

- верифицировать рекомендуемую методику газодинамического расчета малорасходной одноступенчатой турбины ЛПИ по опытным данным;

-дать примеры использования отработанной методики трехмерных расчетов при проектировании и совершенствовании малорасходных турбин ЛПИ.

Предмет исследования - малорасходные турбинные решетки и ступени конструкции ЛПИ, их локальные и осредненные газодинамические характеристики при двумерном и трехмерном обтекании потоком вязкого газа с дозвуковыми, трансзвуковыми и сверхзвуковыми скоростями.

Метод исследования - численное моделирование двумерного и трехмерного течения вязкого газа в среде программного комплекса вычислительной гидродинамики СБХ.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые выполнено систематическое исследование возможностей программного комплекса СБХ применительно к задаче численного моделирования течения газа в малорасходных турбинах ЛПИ, конструкция которых отличается от турбин традиционного типа. Сформулированы рекомендации по выбору вычислительных опций, обеспечивающих приемлемую для инженерных целей погрешность расчета не более ±1 %.

Практическая ценность работы. Показано, что численное моделирование турбулентного течения газа в малорасходных турбинах ЛПИ с помощью программного комплекса ANSYS CFX не уступает по точности определения их локальных и интегральных характеристик экспериментальным данным. Поэтому использование материалов диссертации при проектировании малорасходных турбин позволит ускорить проектные работы и сократить затраты на экспериментальные исследования.

Разработанная методика расчета использована при проектировании и совершенствовании турбин Р-2.6-0.85/0.15 П, Р-3.15-1.28/0.2 П, Р-3.7-1.28/0.2 П, Р-4.7-1.08/0.15 П, предназначенных для привода питательных насосов на Черниговской, Ново-Кемеровской, Иркутской и Красноярской ТЭЦ соответственно.

Апробация работы. Основные материалы диссертации доложены и положительно оценены на международной научно-практической конференции «XL Неделя науки СПбГПУ» (СПб, 2011), на секции ПТ, ГТ и ПГ установок НТС ОАО «НПО ЦКТИ» (СПб, 2011), на семинаре кафедры гидроаэродинамики СПбГПУ, (СПб, 2012) на конференции «ANSYS в энергетике» (СПб, 2012), на совместном заседании кафедр СПбГПУ «Турбинные и двигательные установки» и «Теоретические основы теплотехники» (СПб, 2012), на XIV международной научно-технической конференции «Совершенствование турбоустановок методами математического и физического моделирования» (Харьков, 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ (из них 2 работы в журналах Перечня ВАК).

Достоверность результатов численного моделирования течения в решетках и ступенях малорасходных турбин ЛПИ обусловлена корректным моделированием особенностей течения в проточных частях указанных турбин и подтверждена удовлетворительным соответствием их расчетных характеристик данным стендовых и натурных испытаний.

Личный вклад диссертанта состоит в постановке задач исследования, в проведении расчетов, в анализе полученных данных, в разработке методических рекомендаций по расчету течения в малорасходных решетках и ступенях в среде программного комплекса АЫБУЗ СБХ, участии в проведении тепловых испытаний паровой турбины конструкции ЛПИ Р-2.6-0.85/0.15 П на Черниговской ТЭЦ (Украина).

На защиту выносятся:

- рекомендации по выбору вычислительных опций (расчетные сетки, граничные условия, модели турбулентности) для моделирования течения в решетках и ступенях малорасходных турбин в среде программного комплекса А^Ув СБХ;

- рекомендации по сопряжению течения в неподвижной (сопловой) и вращающейся (рабочей) решетках малорасходных турбин ЛПИ;

-результаты сопоставления верификационных расчетов характеристик малорасходных решеток, выполненных в широком диапазоне чисел Маха, с опытными данными;

-результаты сопоставления верификационных расчетов характеристик одноступенчатой турбины ЛПИ, выполненных в широком диапазоне режимов работы, с опытными данными;

-результаты проектных расчетов характеристик усовершенствованного варианта паровой турбины Р-2.6-0.85/0.15 П конструкции ЛПИ по разработанной методике и их сопоставление с данными натурных испытаний на Черниговской ТЭЦ (Украина).

Структура работы. Диссертация состоит из введения, списка обозначений, четырех глав, заключения и списка использованной литературы из 76 наименований. Работа изложена на 122 страницах машинописного текста, включая 82 иллюстрации и 1 приложение.

Заключение диссертации по теме «Турбомашины и комбинированные турбоустановки», Епифанов, Андрей Андреевич

Заключение

1. Методические, тестовые и прикладные исследования показали возможность численного моделирования трехмерного турбулентного потока в решетках и ступенях малорасходных турбин ЛИИ в среде программного комплекса ANSYS CFX на основе уравнений Навье-Стокса, осредненных по Рейнольдсу (RANS-подход). Такое моделирование обеспечивает расчет локальных и интегральных характеристик решеток и ступеней в приемлемые сроки и с достаточной точностью, способствуя сокращению объемов экспериментальных исследований и сроков проектирования турбин.

2. Основные рекомендации по расчету сводятся к следующему:

2.1. При постановке численного эксперимента вопрос сеточного влияния нужно решать в тесной связи с выбором модели турбулентности. При обеспеченной сеточной независимости решения можно уверенно использовать высокорейнольдсовую модель турбулентности SST-CC и неструктурированные умеренно подробные (около 200.300 тыс. узлов на плоскую решетку) сетки с элементами в виде тетраэдров в ядре потока и со слоями из призматических элементов вблизи твердых поверхностей.

2.2. Течение в сопловой и рабочей решетках можно сопрягать способом Stage, если угол выхода сопловой решетки а^ > 5° или если число Маха за сопловым аппаратом Mci < 1.3. В остальных случаях при использовании способа Stage у поверхности сопряжения в зазоре между лопаточными венцами могут возникать артефактные всплески потерь, поэтому рекомендуется использовать способ сопряжения Frozen Rotor.

2.3. К рассчитанным в стационарной постановке величинам потерь энергии в сопловой и рабочей решетках необходимо - хотя бы с помощью поправок - прибавить потери от нестационарности, которые определены на основании методических расчетов стационарного и нестационарного течений в типовых малорасходных ступенях с углом выхода сопловой решетки 5 и 9° в диапазоне и!Со - 0.19.0.39.

3. По отработанной методике рассчитано течение в трех сопловых и трех рабочих малорасходных решетках. Расчетные значения коэффициентов потерь в решетках удовлетворительно согласуются с опытными значениями в широком диапазоне чисел Маха.

4. Положительный опыт применения программного комплекса СБХ применительно к малорасходным решеткам позволил выполнить верификационный расчет течения в одноступенчатой турбине конструкции ЛПИ. Для корректного сопоставления расчетных и опытных характеристик внутреннего КПД и массового расхода турбины потребовалось моделировать все ее конструктивные особенности (уплотнения, разгрузочные отверстия и др.). При таком моделировании расчетные и опытные характеристики удовлетворительно согласуются между собой.

5. Разработанная методика трехмерного моделирования в малорасходных ступенях в среде программного комплекса А^УБ СБХ позволила улучшить качество вновь проектируемых проточных частей турбин конструкции ЛПИ.

6. В результате комплексного (одномерного и трехмерного) расчета при проектировании проточной части, разработана линейка паровых турбин (турбоприводов) номинальной мощностью 2 600.4 700 кВт, предназначенных для привода питательных насосов с номинальной подачей 380.720 м3/ч. Три турбопривода (Р-2.6-0.85/0.15 П, Р-3.15-1.28/0.2 П, Р-3.7-1.28/0.2 П) сданы в эксплуатацию и работают на Черниговской, НовоКемеровской и Иркутской ТЭЦ, соответственно, турбопривод Р-4.7-1.08/0.15 П находится на стадии пуско-наладочных работ на Красноярской ТЭЦ. Расчетные характеристики турбопривода Р-2.6-0.85/0.15 П номинальной мощностью 2 700 кВт подтверждены по данным тепловых испытаний на Черниговской ТЭЦ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Епифанов, Андрей Андреевич, 2012 год

1. Аэродинамические характеристики ступеней тепловых турбин / H.H. Афанасьева, В.Н. Бусурин, И.Г. Гоголев и др.; Под общ. ред. В.А. Черникова. - JL: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1980. -263 е., ил.

2. Аэродинамический расчет лопаток осевых турбомашин / Я.А. Сироткин. -М.: Машиностроение, 1972. 448 с.

3. Аэродинамический расчет потока в осевых турбомашинах / М.И. Жуковский. Л.: Машиностроение, 1967. - 288 с.

4. Брэдшоу П. Турбулентность. Пер. с англ. / П. Брэдшоу, Т. Себеси, Г.-Г. Фернгольц и др.; Под ред. П. Брэдшоу; Пер. Н.Г. Васецкой, A.B. Колесникова, В.И. Расщупкина; Под. ред. A.C. Гиневского. -М.: Машиностроение, 1980. 343 е., ил.

5. Гаев В.Д. Повышение экономичности паровых турбин за счет оптимального проектирования проточных частей: Дис. на соискание ученой степени кандидата технических наук / Ленинград, 1984.

6. Галаев С.А. Численное моделирование течения вязкого газа в решетках осевых турбомашин: методика и результаты применения современных программных средств: Дис. на соискание ученой степени кандидата технических наук / СПб, 2006.

7. Газодинамические расчеты проточных частей паровых турбин: методы, программы, практика применения / JI.JL Симою // Теплоэнергетика. 2011. №6. С. 19-24.

8. Гидродинамика решеток турбомашин / Г.Ю. Степанов. М.: ГИФМЛ, 1962.-512 с.

9. ГринманМ.И., Егоров В.А., Ушаков С.Л., ПлахинА.А. Турбопривод для питательных насосов ТЭЦ. Новости теплоснабжения. 5-2010, с. 51-53.

10. Кириллов А.И., Зайцев Д.К., Смирнов Е.М., Галаев С.А. Опыт тестовых и параметрических расчетов турбулентного течения через трансзвуковые турбинные решетки. Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. -№2(18), с. 72-81.

11. Кириллов И.И., Куприянов O.E., Раков Г.Л., Рассохин В.А. Совершенствование высокоперепадных турбин с малым углом выхода потока из CA и большим относительным шагом лопаток рабочего колеса. НИИ-Эинформэнергомаш. №71 ТМ-88 деп. от 15.04.88.

12. Кириллов И.И. Теория турбомашин. Л.: «Машиностроение». 1972 г. -536 с.

13. Клямкин С.Л. Тепловое испытание паротурбинных установок электростанций. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1961. - 408 с.

14. Ковеня В.М. Проблемы вычислительной аэродинамики // Методы аэрофизических исследований. Новосибирск: ИТПМ СО АН СССР, 1987.-С. 80-91.

15. Лапшин К.Л. Оптимизация проточных частей паровых и газовых турбин. СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2011. - 177 с.

16. Метод конечных объемов в приложении к задачам гидрогазодинамики и теплообмена в областях сложной геометрии / Е.М. Смирнов, Д.К. Зайцев // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2004. - № 2. С. 70-81.

17. Мэвриплис Д.Д. Многосеточный метод повышения точности для решения уравнений Эйлера на неупорядоченных и адаптивных сетках // Аэрокосмическая техника. 1990. - №12. - С. 47-59.

18. Опыт численного анализа пространственных турбулентных течений в турбомашинах / Е.М. Смирнов, А.И. Кириллов, В.В. Рис // Научно-технические ведомости. СПб.: СПбГПУ. -2004.-№2(36).-С 55-70.

19. Патанкар C.B. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. // М.: Энергоатомиздат, 1984. 152 с.

20. Повышение надежности и экономичности паровых турбин с использованием сотовых уплотнений / В.Т. Буглаев и др. // Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. - №2. - С. 48-53.

21. Приходько A.A. Компьютерные технологии в аэрогидродинамике и тепломассообмене. Киев: Наукова думка, 2003. - 379 с.

22. Рассохин В.А., Олейников С.Ю., Гринман М.И. и др. Малорасходная турбина. Патент № 2338885. 2007. - 7 с.

23. Рассохин В.А. Турбины конструкции ЛПИ: Преимущества, характеристики, опыт разработки и применение. Энергомашиностроение. Труды СПбГПУ, № 491. Изд. Политехнического университета, СПб, 2004. -с. 152-161.

24. Расчет квазитрехмерного течения газа в межлопаточном канале осевой турбомашины / Г.Л. Подвидз // Известия АН СССР, МЖГ. -1971. № 4.-С. 92-101.

25. Роуч П. Вычислительная гидродинамика. М.: Мир, 1980. - 616 с.

26. РТМ 108.020.33-86. Уплотнения лабиринтные стационарных паровых и газовых турбин и компрессоров. НПО ЦКТИ, 1988. 71 с.

27. Рыжкин В.Я. Тепловые электрические станции. Учебник для вузов по специальности «Тепловые электрические станции». Изд. 2-е, перераб. и доп. М., «Энергия», 1976. 448 е., ил.

28. Сахаров A.M., Теплицкий М.Г. Методические указания по тепловым испытаниям паровых турбин. М.: Союзтехэнерго, 1986. - 103 с.

29. Сахаров A.M. Тепловые испытания паровых турбин. -М.: Энергоатомиздат, 1990. 238 с.

30. Смирнов Е.М., Абрамов А.Г., Иванов Н.Г., Корсаков А.Б. Прямое численное моделирование и метод моделирования крупных вихрей в нестационарных задачах турбулентной термоконвекции // Научно-технические ведомости 2'2004, с. 33-47.

31. Смирнов Е.М., Гарбарук A.B. Течения вязкой жидкости и модели турбулентности: методы расчёта турбулентных течений. СПб.: 2007. -127 с.

32. Современные методы пространственного проектирования проточной части газовых турбин / В.Д. Венедиктов, М.Я. Иванов, В.Г. Крупа, Р.З. Нигматуллин и др. // Теплоэнергетика. 2002. -№9.-С. 12-18.

33. Сравнительный анализ щеточного и лабиринтного уплотнения ГТД / Г.И. Пейчев и др. // Вестник двигателестроения : науч.-техн. журн. -2009.-N 1.-С. 66-70.

34. Стрелец М.Х., Травин А.К., Шур М.Л., Спаларт Ф.Р. Метод моделирования отсоединенных вихрей для расчета отрывных турбулентных течений: предпосылки, основная идея и примеры применения // Научно-технические ведомости 2'2004, с. 22-33.

35. Численные решения многомерных задач газовой динамики / С.К. Годунов и др.. М.: Наука, 1976. - 400 с.

36. Экспериментальные исследования решеток профилей с большим относительным шагом: Отчёт ЛПИ; Руководитель темы И.И. Кириллов. № 323152; Инв. № 0284.0054811. Л., 1984. - 67 с.

37. A general theory of three dimensional flow in Subsonic and Supersonic Turbomachines of axial, radial and mixed flow types / C.-H. Wu // Trans. ASME. 1952. - N 8. - P. 1363-1380.

38. A one-equation turbulence model for aerodynamic flows / P.R. Spalart, S.R. Allmaras // La Recherche Aerospatiale. 1994. - № 1. - P. 5-21.

39. An Integrated Quasi Three-Dimensional Finite Element Calculations Program for Turbomachinery Flows / C. Hirsch, G. Warsee // J. Eng. Power. -V. 101.- 1979.-P. 141-148.

40. Anderson W.K., Rausch R.D., Bonhaus D.L. Implicit multigrid algoritms for incompressible turbulent flows on unstructured grids // J. of Computational Physics. 1996. - 128, № 2. - P. 391-408.

41. ANSYS Inc., ANSYS CFX 12.1, "Users Manual", 2009.

42. ANSYS Inc., ANSYS FLUENT 12.0, "Users Manual", 2009.

43. Chima R.V., Yokota J.W. Numerical Analysis of Three-Dimensional Viscous Flows in Turbomachinery, AIAA J., Vol. 28, No. 5, May 1990, pp. 798-806.

44. Chorin A.J. A numerical method for solving incompressible viscous flow problems // J. Comput. Phys. 1967. - 2. - P. 12-26.

45. Cofer IV J.I., Reinker J.K., Sumner W.J. Advances in Steam Path Technology, GE Power Generation Turbine Technology Reference Library Paper No. GER-3713E.

46. Douglas J. On the numerical integration of by implicit method // J. Soc. In-dustr. Appl. Math. 1955. - 3, N 1/ - P. 42-65.

47. Ferziger J.H., Peric M. Computational Methods for Fluid Dynamics. -Springer Verlag, 1999. 400 p.

48. FINE (version 6.1). User Manual / NUMECA International. Brussels, 2003.

49. Fluid Dynamics and Heat Transfer in Turbomachinery / B. Lakshminarayana. Wiley Interscience, 1996.

50. Johnson F.T., Tinoco E.N. Thirty Years of Development and Application of CFD at Boeing Commercial Airplanes, Computers & Fluids (2005) V.34, Is. 10, P. 1115-1151.

51. Lap worth L., Shahpar S. Design of Gas Turbine Engines Using CFD, European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering, 24-28 July 2004.

52. Lax P.D., Weroff B. Difference schemes for hyperbolic equations with high order for accuracy // Communs. Pure and Appl. Math. 1964. - 17, N 3. -P. 381-398.

53. Mac-Cormack R.W. An efficient explicit-implicit characteristic method for solving the compressible Navier-Stokes equation // Comput. Fluid Dyn. Proc. Symp. Appl. Math. Amer. Math. Soc. and Soc. Ind. and Appl. Math., New York City/ 1978/-P. 130-155.

54. Mac-Cormack R.W. The effect of viscocity in hypervelocity impact crater-ing // AIAA Pap. 1969. - N 354/ - 17 p.

55. Mac-Cormack R.W. The numerical solution of viscous flows of high Reynolds number // Proc. Heat Transfer and Fluid Mech. Inst. Pullman. Wash. 1978, Stanford, Calif. 1978. - P. 218-221.

56. Mathematical Models of Turbulence / B.E. Launder, D.B. Spalding. London: Academic Press, 1972.

57. Menter F., Kuntz M. and Langtry R. Ten Years of Experience with the SST Turbulence Model. Turbulence, Heat and Mass Transfer 4, K. Hanjalic, Y. Nagano and M. Tummers, eds., Begell House Inc., Redding, CT, 2003. - pp. 625-632.

58. Menter F. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications, AIAA-Journal., 32(8), pp. 1598 1605, 1994.

59. Montomoli F., Rolls-Royce CFD annual review, Overview of CFD Activities at Whittle Laboratory, 2007.

60. O'Connor M.F., Williams J.C., Dinh C.V., Ruggles S.G. and Kelly-house W.W. An Update on Steam Turbine Redesigns for Improved Efficiency and Availability, GE Power Generation Turbine Technology Reference Library Paper No. GER-3577, 1988.

61. Peaceman D.M., Rachford H.H. The numerical solution of parabolic and elliptic differential equations // SIAM Journal. 1955. -3. - P. 28-41.

62. Reassessment of the scale-determining equation for advanced turbulence models / D.C. Wilcox // AIAA J. V. 26. -1988. - № 11. - P. 1299-1310.

63. Smirnov P.E., Menter F., 2009, Sensitization of the SST Turbulence Model to Rotation and Curvature by Applying the Spalart-Shur Correction Term, Journal of Turbomachinery, 131, 4, pp.041010.(1-8).

64. Spalding D.B. The PHOENICS Beginner's Guide / CHAM TR/100. -CHAM Ltd. London, 1990. - 127 p.

65. STAR-CD. Methodology. Version 3.15A. / Computational Dynamics Limited. 2002. - 244 p.

66. Thompson E.D. Study of Forces and Dynamic Coefficients in Whirling and Eccentric Labyrinth Seals Using ANSYS-CFX, Thesis for deg. of Master of Science. Blacksburg, Virginia. - 2009. - P. 55.

67. Turbulence modeling for CFD / D.C. Wilcox. DCW Indus-tries, 1993. -540 p.

68. Vieser W., Esch T., Menter F. Heat Transfer Predictions using Advanced Two-Equation Turbulence Models. CFX Technical Memorandum. CFX-VAL10/0602, 2002.

69. YakhotV. Renormalization group analysis of turbulence: Basic theory / V. Yakhot, S.A. Orszag // .Scientific Computing. V. 1. - 1986. - № 1. -P. 1-51.

70. Yakhot V. and Smith L. The Renormalization Group the epsilon-expansion and Derivation of Turbulence Models, J. Sci. Comput., 1992, 7, 35.