Виртуальный стенд для исследования нестационарных процессов в ступени центробежного компрессора тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.06, кандидат наук Лопулалан, Хенри Доминггус

• Лопулалан, Хенри Доминггус
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Лопулалан, Хенри Доминггус

Основные условные обозначения..............................................................2

Введение.................................................................................................7

1 Типология стендов и объектов исследования............................................17

1.1 Экспериментальные стенды для исследования ПЧ турбомашин...................17

1.2 Экспериментальное исследование турбокомпрессоров...............................19

1.2.1 Рабочее колесо..............................................................................19

1.2.2 Входные и выходные устройства.........................................................20

1.2.2.1 Всасывающая камера......................................................................20

1.2.2.2 Выходное устройство....................................................................23

1.2.3 Диффузор.....................................................................................24

1.2.4 Течение в поворотных коленах и ОНА.......................................................27

1.2.5 Экспериментальные стенды.................................................................28

1.3 Методы измерения параметров потока......................................................33

1.4 Течение "струя-след"............................................................................34

1.5 Исследования нестационарных процессов...................................................36

1.6 Методика исследования ЛПИ...................................................................37

1.7 Применение методов вычислительной гидродинамики для исследования нестационарного потока в турбомашинах.........................................................39

1.8 Выводы и постановка задачи.................................................................41

2 Объекты и предмет исследования................................................................43

2.1 Выбор объекта исследования.................................................................43

2.2 Экспериментальная установка ЭЦК-1М....................................................43

3 Методы вычислительной гидродинамики в турбомашинах.............................48

3.1 Основные уравнения течения жидкости и газа...........................................48

3.2 Выбор модели турбулентности...............................................................50

3.2.1 Модель переноса напряжений сдвига (SST)......................................................50

3.2.2 Метод крупный вихрей (LES)..............................................................................51

3.2.3 RNG k-s модель..................................................................................52

3.2.4 Адаптивная по масштабу модель турбулентности (SAS SST).......................53

3.3 Схема дискретизации..........................................................................53

3.4 Построение вычислительной геометрии....................................................55

3.5 Вычислительные сетки........................................................................56

3.6 Критерии оценки качества сетки...........................................................58

3.7 Задание граничных условий...................................................................59

3.8 Интерфейс "Неустановившийся ротор - статор"........................................60

3.9 Методы представления результатов расчёта.............................................62

4 Результаты численных исследований (CFX) и их анализ............................65

4.1. Процессы в диапазоне устойчивой работы (фомакс>ф>фовРхР.)............................66

4.1.1. Процессы в рабочем колесе при фо>фо<жг............................................66

4.1.1.1 Статическое давление в РК при фо>фоопт..........................................66

4.1.1.2 Радиальная составляющая скорости Сг в РК при фо>фоопг.....................69

4.1.2. Процессы в безлопаточном диффузоре при фо>фо0пт..............................72

4.1.2.1 Полное и статическое давление в БЛД при фо>фоопт..................................72

4.1.2.2 Пульсации Сги Си в БЛД при фо>фоопт..........................................................75

4.2. Процессы при предсрыве (фо= фопредсрыв)..................................................81

4.2.1 Пульсации статического давления в РК, модели SST и LES.....................81

4.2.2 Пульсации Сгв РК, модели SST и LES..........................................................83

4.2.3 Пульсации Р* и Р в БЛД, модели SST и LES..........................................85

4.2.4 Пульсации G и Си в БЛД, модели SST и LES.......................................87

4.3. Процессы при вращающемся срыве фо= фовр.ср....................... ........................89

4.3.1 Пульсации статического давления в РК, модели SST и LES....................89

4.3.2 Пульсации скорости Сг в РК, модели SST и LES.......................................91

4.3.3 Пульсации Р* и Р в БЛД, модели SST и LES..................................................92

4.3.4 Пульсации Сг и Си в БЛД, модели SST и LES................................................94

4.4. Пульсации G и модуля вектора скорости С в БЛД, модели SST и LES...........96

4.5 Пульсации окружной составляющей скорости Си в БЛД модели SST и LES ... 106

4.6. Распределение углов потока а в БЛД....................................................111

4.7. Способы визуализации для анализа результатов расчёта...........................113

4.7.1 Линии тока при разных моделях турбулентности..............................114

4.7.2 Осреднённое по времени статическое давление при разных моделях турбулентности.........................................................................116

4.7.3. Трёхмерное поле статических давлений..........................................121

4.8. Вычислительные ресурсы и время расчётов...............................................122

5 Сопоставление результатов расчётов (ANSYS CFX) и экспериментов............124

5.1 Сопоставление результатов пневмометрических измерений и расчётов характеристик и полей полных давлений................................................125

5.2 Сопоставление результатов термоанемометрических измерений и расчёта нестационарных течений при устойчивой работе ступени.........................129

5.3 Сопоставление результатов термоанемометрических измерений и расчётов при вращающемся срыве........................................................................144

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................155

Список литературы................................................................................156

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Виртуальный стенд для исследования нестационарных процессов в ступени центробежного компрессора»

Актуальность темы исследования. Центробежные компрессоры — важнейшее технологическое и энергетическое оборудование для повышения давления и транспортировки газов. Традиционные области их использования - передача энергии с помощью сжатого воздуха, металлургия, химия, энергетика (компрессоры газотурбинных установок, наддув ДВС, паровых котлов), холодильная техника, вентиляция и кондиционирование. Газовая промышленность в России является одной из наиболее важных областей применения центробежных и осевых компрессоров.

В зависимости от области применения ЦК существенно различаются рабочие характеристики и конструкция компрессоров. Роль турбокомпрессоров особенно велика в добыче, транспортировке и переработке углеводородного топлива, что особенно важно для России. Работа ЦК в области малых значений коэффициента расхода может приводить к глобальной (помпаж) и локальной (вращающийся срыв) потере устойчивости.

Необходимость исследования нестационарных процессов в турбомашинах связана с проблемами обеспечения надёжной работы установок, требующими решения задач устойчивости течения работы компрессора и возникновения вращающегося срыва и помпажа. Задачи повышения надёжности компрессорных агрегатов привели к необходимости исследования нестационарных процессов в проточной части ЦК. Исследования нестационарных процессов позволяют определить возможные причины

появления динамических напряжений в PK и неподвижных элементах ПЧ, а также вибраций и повышенного шума. Такими причинами являются:

1. Неравномерность статического давления в пространстве, окружающем PK, вызванная наличием рёбер во всасывающем патрубке, ЛД, улитки, смещения половин горизонтального разъёма, протечек через уплотнения и т.д [Пфлейдерер, 1960; Рис, 1964; Ден, 1965, 1967; Измайлов, 1965; Мифтахов, 1968; Раер, 1968; Селезнёв, 1968.].

2. Вращающиеся следы за PK [Dean, 1960; Jansen, 1960; Патрин, 1964, 1965; Измайлов, 1965; Селезнёв, 1966; Eckardt, 1978].

3. Вращающийся срыв в ПЧ ЦК [Jansen, 1960; Ершов, 1964; Городецкий, 1968; Измайлов, 1967, 1968; 1970, 1987].

4. Отрывные, акустические и псевдозвуковые явления в PK и в других элементах ПЧ [Измайлов, 1967; Самойлович, 1969; Курзин, 1970].

5. Помпаж [Ершов, 1966, Pampreen, 1993].

6. Стоячие (бегущие) волны на боковых поверхностях рабочего колеса [Дорфман, 1960; Измайлов, 1965; Измайлов, 1967].

7. Аэроупругие явления [Самойлович, 1969].

При создании новых эффективных конструкций ЦК необходимо развитие более совершенных методов расчётно-теоретического анализа элементов ПЧ, основанных на экспериментальной проверке исследуемых вариантов, а также получение опытных данных по конкретным вопросам проектирования при условиях эксперимента, близких к натурным условиям работы машинам.

Исследования на натурных установках с измерением быстроменяющихся аэродинамических величин дают полезную, но ограниченную информацию из за отсутствия возможности размещения датчиков в необходимых местах. Стоимость эксперимента весьма высока. Для компрессоров высокого давления, компрессоров химических производств, работающих на газах с физическими свойствами, отличающимися от воздуха, необходимо создание уникальных установок замкнутого контура. Экспериментальное исследование аэроупругих явлений, вращающегося срыва и помпажа на натурных установках практически затруднено из-за высокой вероятности аварий.

Исследования на модельных стендах позволяют получить ценную информацию, однако стоимость эксперимента также высока, особенно при исследовании нестационарных процессов. Измерение нестационарных параметров при высоких окружных скоростях практически трудно осуществимо, поскольку постановка датчиков на рабочие колёса может приводить к поломкам колёс.

Стремление экспериментатора получить подробную информацию о состоянии потока приводит к большому загромождению проточной части, что особенно недопустимо при исследовании околозвуковых и трансзвуковых компрессоров.

С развитием численных методов стало возможным применять вычислительный эксперимент. Применение технологии вычислительной гидродинамики на этапе проектирования позволяет оптимизировать геометрические параметры ступени турбомашин, в том числе с учётом нестационарного взаимодействия между ротором и неподвижными элементами, оценивать уровни пульсаций аэродинамических величин, а также определять условия возникновения неустойчивостей в проточной части и параметры вращающегося срыва.

Современные вычислительные комплексы позволяют ставить задачу создания виртуальных стендов для исследования периодических нестационарных процессов (вращающихся следов, неравномерностей распределения по пространственной координате, вращающегося срыва) по всей аэродинамической характеристике от максимального расхода до границы помпажа (исследование помпажа как процесса в системе «компрессор-сеть» требует использования информации о системе, на которую работает компрессор, и здесь не рассматривается). Виртуальный стенд предназначен для решения преимущественно аэродинамических задач, т. е. проблемы аэроупругости, виброустойчивости и виброактивности ротора здесь не рассматриваются, конструкция считается недеформируемой.

Нестационарные процессы в турбомашинах можно разделить на две группы [Самойлович, 1975]:

1. Аэродинамические процессы, для которых несущественна связь между аэродинамическими и упругими характеристиками системы;

2. Аэроупругие процессы, для которых основную роль играет связь между аэродинамическими характеристиками элементов ПЧ и характеристиками упругости элементов конструкции компрессора.

Аэродинамические нестационарные процессы наблюдаются во всех типах турбомашин. Эти процессы можно разбить на два класса: детерминированные и случайные. Неоднородность потока вокруг решётки объясняется возмущением потенциального потока и наличием кромочного следа [Самойлович, 1975]. Распределение давления и циркуляция скорости вокруг круговой решётки изменяется из за нестационарности потока, а сама решётка является акустическим излучателем из за вращения колеса. Акустические волны вызваны пульсирующими источниками звука с частотами k*n*z (п-частота вращения ротора, z - число лопаток решётки, создающей неоднородный поток, к = 1, 2, 3...) [Самойлович, 1975].

При разработке виртуального стенда для исследования нестационарных процессов в центробежных компрессорах в качестве прототипа выбран экспериментальный модельный стенд ЭЦК-1М лаборатории компрессоростроения ЛПИ (СПбГПУ). На этом стенде были выполнены обширные циклы исследований с измерением быстроменяющихся величин (пульсаций статического давления, в том числе в рабочих колесах, мгновенных скоростей с помощью термоанемометров) в типовых ступенях [Измайлов, 1987]. Разработка виртуального стенда для исследования нестационарных процессов в центробежных компрессорах - актуальная задача, поскольку позволяет при использовании верифицированной программной системы и кластерной технологии вычислений получать данные о нестационарных процессах практически в любом месте проточной части. В то же время очевидно, что достоверность полученных результатов требует проверки сопоставлением с надёжными опытными данными. Отметим, что такие виртуальные стенды в принципе позволяют получить результаты поведения компрессора при помпаже и исследовать аэроупругие эффекты, поскольку экспериментальные исследования помпажа и, например, флаттера весьма затруднительны из-за высокой вероятности разрушения компрессора.

Подавляющее большинство современных численных исследований турбомашин основано на решении стационарного уравнения Навье - Стокса (RANS), зачастую для ускорения счёта используется физически неоправданное предположение о периодичности задачи, а расчёт выполняется для одиночного канала решётки. Работы по применению нестационарного решения уравнения Навье - Стокса (URANS) для всей области течения (полного угла охвата 2л:) весьма малочисленны.

Степень разработанности темы. Исследования нестационарных процессов в турбомашинах, в том числе в центробежных компрессорах, - сложная задача, доступная ограниченному кругу исследователей. Сложность заключается как в необходимости применения малоинерционных измерителей (малогабаритных датчиков давления, термоанемометров, лазерных измерителей скорости и т.п.), так и в самих процессах, имеющих нелинейный характер, связанный с потерей устойчивости рассматриваемой системы. Масштабы времени, характерные для этих процессов, охватывают широкий диапазон от 10~6 до 10 секунд, зачастую эти масштабы времени не являются кратными. Для обработки огромного количества информации требуется разработка и применение сложных многоканальных информационно-измерительных систем реального времени. Одновременное многоточечное измерение параметров нестационарного потока (статического и полного давления, вектора скорости и др.) практически затруднительно. Экспериментальное исследование некоторых видов нестационарных процессов затруднительно, поскольку высока вероятность поломок элементов конструкции, в частности рабочего колеса, лопаточного аппарата, опор и уплотнений.

Задачи нестационарной аэродинамики компрессоров из-за сложности проблемы решались преимущественно для невязких течений. В работах X. Эммонса, К. Пирсона, X. Гранта. В.Н. Ершова, Г.С. Самойловича, В.Б. Курзина, В.Э. Сарена, Р. Дина, Я.Сеноо, Ф. Марбла и других отечественных и зарубежных исследователей решены отдельные частные задачи нестационарной аэродинамики турбомашин, в том числе задачи аэроупругости (проблемы взаимодействия решёток, флаттера и т.п.). Расчёт течения вязкого газа, необходимый для решения задачи возникновения вращающегося срыва, производился с применением теории пограничного слоя в работах В. Янсена. В работах Н. Кампсти и Р. Памприна рассмотрены некоторые аспекты современного состояния исследований нестационарных процессов в компрессорах.

До сих пор нестационарные процессы в центробежных компрессорах рассматриваются лишь как некая нежелательная добавка, иногда приводящая к авариям. Практически вся практика проектирования и исследования турбокомпрессоров построена на предположении о стационарности аэротермодинамических параметров в проточной части, за исключением переходных режимов при изменении частоты вращения.

На ежегодных конференциях ASME, JSME в последние годы проблемы нестационарной аэродинамики турбомашин рассматриваются на специальных секциях, отмечаются сложности экспериментального и теоретического исследования нестационарных процессов в турбомашинах. Созданные в последние десятилетия современные вычислительные комплексы (Fluent, STAR CD, Numeca и др.) позволяют решать некоторые проблемы нестационарной аэродинамики турбомашин. Однако в большинстве зарубежных работ представлены результаты расчётов, например, вращающегося срыва на основе решения стационарного уравнения Навье - Стокса. Зачастую для ускорения расчётов решение выполняется для одиночного канала решётки с последующим мультиплицированием результатов с учётом периодичности объекта (Abdelwahab, 2010; Biesinger, 2010; Не, 2004; Trebinjac, 2011 и др.). Иногда при решении задачи с помощью программ, описывающих стационарное течение газа, к вращающемуся срыву относят эффекты численной неустойчивости, что приводит к результатам, существенно отличающимся от экспериментальных.

Использование современных достижений численной аэродинамики (CFD) накладывает свои ограничения. Авторитетный специалист в области расчётов сложных течений в турбомашинах (Denton, 2010) в докладе на конференции ASME отмечает основные сложности при расчёте даже стационарного потока в турбомашинах с помощью CFD, в том числе проблемы задания граничных условий, применения соответствующих задаче моделей турбулентности и задачи ускорения вычислений. Следует отметить, что существующие комплексы программ ориентированы на решение важных задач расчёта турбулентных течений, в то время как в центробежных компрессорах основную роль играют не только проблемы турбулентности, но и проблемы детерминированных процессов типа "струя - след", а также вопросы определения границ появления нежелательных явлений типа вращающегося срыва или предсрыва. В задачах вычислительной гидродинамики применяются в достаточной степени искусственные приёмы для переноса результатов расчёта из вращающейся системы координат (ротора) в абсолютную систему координат. Вносить изменения в существующие программные комплексы практически невозможно, поскольку исходные тексты программ недоступны (по коммерческим соображениям).

Современное состояние методов численной гидродинамики, реализованных с помощью кластерных технологий, позволяет решать некоторые частные задачи

нестационарной аэродинамики центробежных компрессоров с учётом эффектов движения вязкого газа в проточной части. Это позволяет ставить задачу создания виртуальных стендов, пригодных для исследования важных для практики и теории видов нестационарных процессов, в том числе детерминированных нестационарных процессов.

Цели и задачи исследования. Настоящая диссертационная работа является продолжением цикла работ по исследованию нестационарных процессов в центробежном компрессоре, выполняемых на кафедре "Компрессорная, вакуумная и холодильная техника" (КВХТ) СПбГПУ под руководством профессора, д.т.н. P.A. Измайлова.

Основными целями данной работы являются исследование возможностей современного вычислительного комплекса ANSYS CFX 12.0 с различными моделями турбулентности и соответствующих процедур для численного анализа нестационарного турбулентного течения в проточной части компрессора, а также сопоставление результатов расчёта с имеющимися экспериментальными данными, полученными как традиционными пневмометрическими измерителями, так и результатов исследования нестационарных процессов малоинерционными измерителями.

В процессе выполнения работы необходимо решить следующие задачи:

1. Создать на основе системы ANS YS CFX 12 виртуальный стенд для исследования нестационарных процессов в проточной части центробежного компрессора, позволяющий исследовать детерминированные нестационарные процессы, в частности, периодические пульсации типа «струя - след», предсрыв и вращающийся срыв.

2. С помощью вычислительного комплекса ANSYS CFX 12.0 с применением кластерных технологий провести численные расчёты трёхмерного нестационарного турбулентного потока в центробежном компрессоре на основе решения нестационарного уравнения Навье - Стокса (URANS). Расчёты выполнить в заданных экспериментальных условиях по всей характеристике компрессора по всему углу охвата 2л.

3. Сопоставить результаты расчёта, полученные при испытании компрессора на виртуальном стенде, с результатами экспериментального исследования как медленно меняющихся, так и быстроменяющихся величин (пульсаций давления, измеренных с

помощью малоинерционных датчиков давления, и пульсаций скорости, измеренных термоанемометром).

4. Исследовать влияние различных моделей турбулентности (SST, LES, RNG и SAS SST) на результаты расчётов.

5. Сформулировать выводы и рекомендации по проведению расчётов нестационарных процессов в центробежном компрессоре с помощью комплекса ANSYS CFX 12 (URANS).

Объектом исследования является экспериментально испытанная модельная ступень с РК закрытого типа (с покрывающим диском) и БЛД.

Предметом исследования в данной работе являются аэродинамические параметры (пульсации статического давления, скоростей, углов потока а, радиальные составляющие скорости и другие величины в РК и неподвижных элементах проточной части центробежного компрессора), а также картины течения, полученные в ходе расчётов и аэродинамические характеристики при трёхмерном течении турбулентного потока газа, включая нестационарные течения.

Научная новизна определяется тем, что практически впервые в отечественной практике выполнено численное моделирование трёхмерного нестационарного турбулентного течения в проточной части центробежного компрессора с помощью современных гидродинамических программных пакетов (ANSYS CFX 12). Обнаружены закономерности некоторых детерминированных нестационарных процессов типа "струя - след", в частности, слабое затухание пульсаций скорости при распространении по безлопаточному диффузору. Сформулированы методические рекомендации по выбору опций, обеспечивающих достижение приемлемой для инженерных целей точности результатов при использовании ANSYS CFX (URANS).

Теоретическая и практическая значимость работы состоит в следующем. Показан вклад пульсаций давления и скорости в аэродинамику проточной части центробежного компрессора, что позволяет анализировать причины появления нежелательных динамических напряжений в элементах конструкций и повышенных вибраций опор и трубопроводов, используя, например, систему типа ANSYS Mechanical. Разработана методика проведения численного исследования нестационарного течения

газа в ступени центробежного компрессора. Показано влияние моделей турбулентности на результаты решения нестационарного уравнения Навье - Стокса.

С помощью вычислительной системы типа ANSYS CFX 12.0 можно анализировать трёхмерную картину течения, получать полезную информацию практически в любом месте проточной части, в том числе во вращающихся рабочих колёсах, по всей характеристике компрессора как для стационарных параметров потока, так и для нестационарных аэродинамических величин. Таким образом, создан виртуальный стенд для исследования нестационарных процессов в компрессоре, при этом отсутствует загромождение проточной части "измерителями" параметров, что позволяет использовать такие стенды для исследования практически всех типов компрессоров, в том числе нагнетателей природного газа, малорасходных и др.

Методология и методы исследования. Предметом исследования в данной работе являются аэродинамические параметры и поля пульсаций статического давления, скоростей, углов потока а в рабочем колесе и неподвижных элементах проточной части центробежного компрессора, а также картины течения, полученные в ходе расчётов, и аэродинамические характеристики при трёхмерном течении турбулентного потока газа, включая нестационарные течения. Численное моделирование выполнено с помощью программного пакета ANSYS CFX 12.0, основанного на решении нестационарной осреднённой по числу Рейнольдса системы уравнений Навье - Стокса (URANS), с применением опции Transient method (неустановившийся интерфейс ротора-статора). При расчёте применена модель изменения шаблона (frame change model) [ANSYS, 2009] для нестационарного режима взаимодействия ротора-статора. Созданы области расчётов, построены гексагональные сетки соответствующих задаче типов (Н, J, С, L и О), определены подходящие граничные условия, выбраны модели турбулентности, создана физическая модель для решения задачи расчёта трёхмерных нестационарных течений в рабочем колесе и диффузоре центробежного компрессора.

Положения, выносимые на защиту:

1. Концепция виртуального стенда центробежного компрессора и методика выполнения расчётов нестационарного потока с использованием CFX ANSYS 12 (URANS).

2. Полученные на виртуальном стенде результаты исследования нестационарных процессов (вращающихся следов, вращающегося срыва) по всей аэродинамической характеристике компрессора.

3. Сопоставление результатов расчёта и экспериментального исследования как медленно меняющихся, так и нестационарных аэродинамических величин по всей характеристике компрессора - от максимального расхода до границы помпажа.

Степень достоверности и апробация результатов. Выполненные расчётные исследования нестационарных процессов на основе решения осреднённых по числу Рейнольдса нестационарных уравнений Навье - Стокса с помощью программного комплекса CFX ANSYS 12.0 (URANS) показали, что результаты численных расчётов достаточно удовлетворительно совпадают с экспериментальными данными как по осреднённым (стационарным), так и по нестационарным характеристикам потока по всей характеристике компрессора - от максимального расхода до границы помпажа. Вычисленные аэродинамические характеристики компрессора и поля полных давлений совпадают с экспериментально определёнными результатами пневмометрических исследований с неоднозначностью, не превышающей 5%. Вычисленные параметры детерминированных нестационарных процессов в основном количественно и качественно совпадают с результатами экспериментального исследования с применением малоинерционных измерителей (датчиков давления и термоанемометров). Полученные результаты в целом соответствуют сложившимся физическим представлениям о характере нестационарных процессов в проточной части центробежного компрессора

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на научной конференции студентов и аспирантов "XXXIX Неделя науки СПбГПУ" (СПб, 6-11 декабря 2010 г.), на XV международной научно-технической конференции по компрессорной технике (Казань, 19-20 июля 2011 г.), на международном симпозиуме 1SUAAAT 13 (Токио, 3-9 сентября 2012 г.) и на международной конференции ASME Turbo Expo 2013 (Сан-Антонио, Техас, США, 3-9 июня 2013г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы шесть печатных работ, две из них в журнале "Компрессорная техника и пневматика" [Измайлов; Лопулалан; Норимарна, 2011-а, б].

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 111 наименований. Материал, изложен на 164 страницах и содержит 145 рисунков и 9 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Вакуумная, компрессорная техника и пневмосистемы», Лопулалан, Хенри Доминггус

Проведено комплексное исследование нестационарных аэродинамических процессов в центробежном компрессоре в широком диапазоне режимов, выполненное с применением программ вычислительной гидродинамики пакета ANS YS CFX 12, основанных на решении нестационарной осреднённой по числу Рейнольдса системы уравнений Навье - Стокса (URANS).

На основе проведённого исследования можно сделать следующие выводы:

1. Создан виртуальный стенд для исследования нестационарных процессов в проточной части центробежного компрессора на основе системы ANS YS CFX 12, позволяющий исследовать в широком диапазоне расходов (от максимального значения до помпажа) детерминированные нестационарные процессы, в частности, периодические пульсации типа «струя - след», предсрыв и вращающийся срыв.

2. С помощью вычислительного комплекса ANS YS CFX 12, использующего кластерные технологии, проведены численные расчёты трёхмерного нестационарного турбулентного потока в центробежном компрессоре в заданных условиях по всей характеристике компрессора на основе решения нестационарного уравнения Навье -Стокса (URANS). Расчёты выполнены по всему углу охвата 2ж.

3. Результаты расчётов, полученные при испытании компрессора на виртуальном стенде, сопоставлены с результатами экспериментального исследования как по медленно меняющимся величинам, так и по измерениям быстроменяющихся величин (пульсаций давления, измеренных с помощью малоинерционных датчиков давления, и пульсаций скорости, измеренных термоанемометром). Получено удовлетворительное совпадение качественных и количественных параметров, а также границ возникновения вращающегося срыва.

4. Исследовано влияние различных моделей турбулентности (SST, LES, RNG и SAS SST) на результаты расчётов. Показана применимость моделей SST, LES и RNG.

5. Сформулированы выводы и рекомендации по проведению расчётов нестационарных процессов в центробежном компрессоре с использованием комплекса ANS YS CFX 12.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Лопулалан, Хенри Доминггус, 2014 год

Биркгоф, Г. Гидродинамика, методы, факты, подобие : монография/Г. Биркгоф; под. ред. М. И. Гуревича и В. А. Смирнова: Изд-во иностранной литературы, Москва 1963.-244 с.

Галеркин, Ю. Б. Рекстин, Ф. С. Методы исследования центробежных компрессорных машин: монография/Ю. Б. Галеркин, Ф. С. Рекстин: Изд-во Машиностроение, Ленинград 1969. -303 с.

Городецкий, O.A. Исследование некоторых нестационарных явлений в проточной части центробежной компрессорной ступени с безлопаточным диффузором: автореф дис. ... канд. техн. наук: 05.04.Об/Городецкий О. А. -ЛПИ им. М.И. Калинина, 1968.-14 с.

Дейч, М. Е. Самойлович, Г.С. Основы аэродинамики осевых турбомашин: монография/М. Е. Дейч, Г.С Самойлович, - Машгиз, 1959.

Дейч, М. Е. Техническая газодинамика: монография/М. Е. Дейч, Изд-во М-Л, Госэнергоздат- 1961. -673 с.

Ден, Г. Н. Исследование лопаточных диффузоров центробежных компрессорных машин: Журнал//Энергомашиностроение №10.- 1959 г.,- стр. 3-7.

Деи, Г. Н. Исследование работы диффузоров стационарных центробежных компрессорных машин : автореф. дис. ... канд. техн. наук, ЛПИ, 1960.

Ден, Г. Н., Расчёт течения в элементах центробежных компрессоров. Л. ЦКТИ,

1967.

Ден, Г. Н. и Гунбин, Б. Л. Согласование результатов расчета потока в центробежном компрессорном колесе методами теории решёток с экспериментальными данными. [Статья].- 1969 г.- Энергомашиностроение.- стр. 8-11.

Ден, Г. Н. Механика потока в центробежных компрессорох: монография/Г. Н. Ден - Изд-во Машиностроение-Ленинград, 1973.- 272 с.

Ден, Г. Н. Течение газа между параллельными вращающймися дисками и теплообмен между соседними каналами [Статья].-1961 г.- Т. 9.- стр. 24-31.

Дорфман, Л. А. Гидродинамическое сопротивление и теплоотдача вращающихся: тел. монография/Л. А. Дорфман Изд-во Физматгиз - 1960. - 260 с.

Ершов, В. Н. Неустойчивые режимы турбомашин, вращающийся срыв, М., Машиностроение, 1966.

Жаров, В. Ф. Исследование нестационарных процессов в проточной части центробежного компрессора с лопаточными диффузорами: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.04.06/Жаров В Ф. - Л., 1978. - С.16.

Измайлов, P.A. Экспериментальное исследование переменных аэродинамических сил, действующих на элементы рабочего колеса центробежного компрессора. ЛПИ, 1965.

Измайлов, P.A. Теоретическое и экспериментальное исследование высоконапорных компрессорных ступеней. ЛПИ, 1967.

Измайлов, P.A. Нестационарные аэродинамические процессы в центробежных компрессорах : дис. ... док. техн. наук: 05.04.06/Измайлов РА. - ЛПИ им. Калинина. Л,-1987.-340 с.

Измайлов, P.A. Лопулалан, Х.Д. Норимарна, Г.С. Численное моделирование нестационарного течения в ступени центробежного компрессора, [Статья]// Компрессорная техника и пневматика..- 2011 г..- № 5,- стр. 10-15.

Измайлов, Р. А. Лопулалан, X. Д. Норимарна, Г. С. Виртуальный стенд для исследования нестационарных процессов в ступени центробежного компрессора. [Статья]// Компрессорная техника и пневматика..- 2011 г..- № 6,- стр. 47-52.

Иноуэ, М. Кампсти, Н. Применение теории малых возмущений в безлопаточном диффузоре. Энергетич. машины и установки., 1978, № 4. - С.256-268.

Касаткин, В. А. Исследование нестационарных процессов в промежуточной ступени центробежного компрессора: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.04.06/Касаткин В. А,- Л., 1980.-1 Зс.

Кононов, С. В. Структура нестационарного потока в ступени центробежного компрессора с безлопаточным диффузором и выбор информативных параметров для диагностики неустойчивой работы: дис. ... канд. техн. наук: 05.04.Об/Кононов С. В. -Л. -ЛПИ им.Калинина., 1985. 156 с.

Курзнн, В. Б. Нестационарное обтекание решеток профилей дозвуковым потоком и вопросы аэроупругости лопаток осевых турбомашин: автореф. дис. ... докт. Физ.-мат. наук, Новосибирск 1970. - С.20.

Лакшминараяна, Б. Методы измерений аэродинамических параметров и характеристик турбулентности в рабочих колесах турбомашин, Энергетич. машины и установки. 1981, № 2 -С. 94-120.

Лойцянский, Л. Г. Механика жидкости и газа: монография/Л. Г. Лойцянский, Изд-во М.: Наука, 1970. - 904 с.

Лопулалан, X. Д. Норимарна, Г. С. Расчёт нестационарного течения в центробежном компрессоре с помощью программного комплекса ANSYS Workbench CFX, УДК 621.25. /XXXIX Неделя науки СПбГПУ (СПб, 6-11 декабря 2010 г.).

Мифтахов, А. А. Исследование аэродинамики течения в улитках центробежных компрессорных машин. ЛПИ, 1968.

Мифтахов, А. А. и Зыков.В. И. Входные и выходные устройства центробежных компрессоров: монография/Мифтахов, А. А. и Зыков.В. И.- Казань: ФЭН, 1996,- стр. 198.

Ноткнна, И. М. Повышение эффективности безлопаточных диффузоров малорасходных центробежных компрессорных ступеней на основе анализа трёхмерного вязкого потока: дис. ... кан. техн. наук: 05.04.06/Ноткина Ирина. Михайловна. - СПб., 2003.-241с.

Панаиотти, С. С. Савельев, А. И. и Кузнецов, А. В. Автоматизированный расчёт и проэктирование высокооборотного шнеко-центробежного насоса: монография/Панаиотти, С. С. Савельев, А. И. и Кузнецов, А. В. - Калуга : [б.н.], 2010.

Патрии, Ю. В. Исследование пульсации полного давления в проточной части центробежной компрессорной ступени цилиндрическим датчиком из титаната бария, Энергомашиностроение. ЛПИ, 1964.

Патрин, Ю. В. Экспериментальной исследование пульсаций скоростей и давлений в диффузорах центробежных компрессорных ступеней. ЛПИ, 1965.

Петунии, А. Н. Измерение параметров газового потока. Приборы для измерения давления, температуры и скорости: монография/Петунин, А. Н. М. Машиностроение 1974г. 260 с.

Письмин, И. Н. Исследование потока в осевом компрессоре в относительном движении малоинерционными измерительными системами: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - М., 1970.-С.23.

Повх, И. Л. Техническая гидромеханика: монография/ И. Л. Повх, М., Л. Машиностроение. 1964.г 508с.

Поликовский, В. И. Вентиляторы, воздуходувки и компрессоры, под ред. Б. Н. Юрьева. М.-Л.: Государственное энергетическое издательство, 1933.

Пэнхерст, Р. Холдер, Д. Техника эксперимента в аэродинамических трубах; монография/Р. Пэнхерст, Д. М. Холдер ИЛ. 1955.

Пфлейдерер, К. Лопаточные мащины для жидкостей и газов: монография/К.Пфлейдерер, Изд-во машгиз, М. 1960.

Раер, Г. А. Динамика и прочность центробежных компрессорных машин: монография/Г. А. Раер, Изд-во Л.: Машгиз, 1968. - 257с.

Рекстин, Ф. С. и др. Исследование диффузоров центробежных компрессорных машин - Труды Ленниихиммаш, 1968.

Рис, В. Ф. Центробежные компрессорные машины монография/В. Ф. Рис М.-Л: Машгиз, 1951.-245 с.

Рис, В. Ф. Центробежные компрессорные машины: монография/В. Ф..Рис М.-Л. : Машиностроение, 1964. - стр. 336 с.

Рис, В. Ф. Центробежные компрессоры машины: монография/ В. Ф. Рис Ленинград: машиностроение, 1981. - Т. 3.

Рис, В. Ф. Ден, Г. Н. и Шершпева, А. Н. Воздействие потока на ротор центробежной ступени [Журнал] //№ 4. - [б.м.] : Энергомашиностроение, 1963 г.. - 1418.

Самойлович, Г. С. Нестационарное обтекание и аэроупругие колебания решеток турбомашин: монография/Самойлович, Г. С. ред. Физико-математической Литературы,-Москва: Наука, 1969.- стр. 444 с.

Самойлович, Г. С. Возбуждение колебаний лопаток турбомашин: монография/Самойлович, Г. С. Ф -М.: Наука, 1969. -287с.

Самойлович, Г. С. Гидроаэромеханика: монография / Г.С. Самойлович, Машиностроение: 1980. 280с.

Селезнёв, К. П. Галёркин, Ю. Б. Центробежые компрессоры, монография / К. П. Селезнёв, Ю. Б. Галёркин Машиностроение, Ленинград. 1982. 271 с.

Селезнёв, К. П. Галёркин, Ю. Б. Анисимов, С. А. Теория и расчёт турбокомпресоров, монография / К. П. Селезнёв, Ю. Б. Галёркин, С. А. Анисимов, Машиностроение, Ленинград. 1986.-392 с.

Селезнёв, К. П. и Патрин Ю. В. Исследование нестационарных явлений в центробежной компрессорной ступени. Компрессорное и холодильное машиностроение, 1966.

Селезнев, К. П. и Примак А. Н. Некоторые результаты исследований течений в ядре потока и в пограничном слое в каналах рабочих колес центробежных компрессоров [статья]. - 1969. - В кн.: Энергомашиностроение. M.-JI, Машиностоение : 169-175с.

Селезнев, К. П. и др. Перспективные схемы и конструкции турбокомпрессоров высокого давления для повторной закачки газа в пласт. ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1986, № I.

Скубачевский, Г. С. Авиационные газотурбинные двигатели конструкция и расчет деталей: монография/ Г. С. Скубачевский, 2-е изд., изд-во Машиностроение, 1969. 547 с.

Степанов, Г. Ю. Гидродинамика решеток турбомашин: монография/ Г. Ю. Степанов, М.: Физматгиз. - 1962. 512с.

Столярский, М. Т. О работе центробежного нагнетателя с безлопаточным диффузором и боковой сборной камерой. Энергомашиностроение. - 1964. № 3. - С. 1-4.

Страховнч, К. И. и др. Компрессорные Машины: монография/К. И. Страхович-Москва : Госторгиздат, 1961.

Телевной, А. А. Исследование нестационарных процессов в проточной части промежуточной ступени центробежного компрессора с безлопаточным диффузором: автореф. Дисс. канд. техн. наук.- JI. 1975. - С. 15.

Хинце, И.О. Турбулентность: ее механизмы и теория: монография/ И.О. Хинце, Государственное издательство физико-математической литературы, Москва 1963. -680 с.

Шкарбуль, С. И. Исследование структуры потока и возникновение потерь в рабочем колесе центробежного компрессора. "Энергомашиностроение", 1961.

Шкарбуль, С. Н. Экспериментальное исследование структуры потока в рабочем колесе центробежного компрессора с различными профилями лопаток. [Журнал] // Труды ЛПИ № 221. - М.-Л. : Машгаз, 1962 г..

Эккерт, Б. Осевые и центробежные компрессоры: монография/Б. Эккерт -Москва : Машгиз, 1959. - 679 с.

Abdelwahab, Ahmed. Numerical investigation of the unsteady flow fields in centrifugal compressor diffusers. Proceeding ASME Turbo Expo, GT2010-22489 2010 14p.

Anish S, Sitaram N. Steady and Transient Computations of Interaction Effects in a Centrifugal Compressor With Different Types of Diffusers. Proceeding ASME Turbo Expo, GT2010-22913. 2010.

ANSYS Inc Southpointe Canonsburg, ANSYS Inc release Notes April 2009.

Biesinger, Thomas. Cornelius, C. and Rube, Ch. Braune, A. Schmid G, Campregher, R. and Godin, P. G., Zori, L. Unsteady CFD methods in a commercial solver for turbomachinery applications, Proceeding ASME Turbo Expo, GT2010-22762. 2010.

Bonciani, L. Terrinoni, L. Influence of stationary components on unsteady flow in industrial centrifugal compressor, Nuovo Pignone, Florence, Italy, 1980.

Borm, Oliver. Kau, Hans-Peter. Unsteady aerodynamics of a centrifugal compressor stage validation of two different CFD solvers, Proceeding ASME Turbo Expo, GT2012-69636. 2012.

Chen, Hua. Sheng, Fen. Zhu, Xiao-cheng. Du, Zhao-hui. A 3-D compressible flow model for weak rotating waves in vaneless diffusers, part I - the model, Proceeding ASME Turbo Expo, GT2010-22622. 2010.

Dean, R. C. Senoo, Y. Rotating wakes in vaneless diffusers. Trans. ASME Ser. D, No. 5, 563-574. 1960.

Denton, John. D. Some limitations of turbomachinery CFD, Proceeding ASME Turbo Expo GT2010-22540 2010.

Eckardts D. Investigation of the jet-wake flow of a highly - loaded centrifugal compressor impeller, 1978.

Eckardt, D. Laser velocimeter flow studies within a high-speed centrifugal compressor impeller: Zesz. nauk//Lodz. -1979. -N349. -p. 69-91.

Emmons, H. W. Pearson, C. E. Grant, H. P. Compressor surge and stall propagation, Trans. ASME, v.77, No. 4. 1955, p. 1-10.

Everitt, J. N. and Spakovszky, Z. S. An investigation of stall inception in centrifugal compress or vaned diffusers, Gas Turbine Laboratory Massachusetts Institute of Technology Cambridge MA 02139, GT2011-46332 ASME 2011.

Ferrara, G. Ferrari, L. Baldassarre, L. Rotating stall in centrifugal compressor vaneless diffuser: Experimental analysis of geometrical parameters influence on phenomenon evolution, International Journal of rotating machinery, 10(6):433-442,2004.

Fink, D. A. Surge dynamics and unsteady flow phenomena in centrifugal compressor: Diss. Doctor of Philosophy, /David Alan Fink., MIT., 1988,273.p.

Fischer, K Thoma D. Investigation of the flow conditions in a centrifugal pump. Trans. ASME, Hydraulics, v.54, 1932 p. 141-155. .

Hathaway, M.D. Wood, J.R. Wasserbauer, C.A. NASA low-speed centrifugal

th

compressor for 3-D viscous code assessment and fundamental flow physics research, 36 International gas turbine and aeroengine congress and exposition, 1991.

Hathaway, Michael. D. Chen, Jenping. Webster, Robert. Time accurate unsteady simulation of the stall inception process in the compression system of a US army helicopter gas turbine engine, 2004.

Hayashi, Nobutaka. Koyama, Masaharu. Ariga Ichiro , Sano Masatoshi, Onset of rotating stall in a centrifugal vaneless diffuser, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Series B, Vol. 68, № 676. 2002 pp. 172-179.

He, N. Tourlidakis, A. and Elder, R.L. Comparisons of steady and time averaged unsteady analysis results for impeller and vaned diffuser interactions in a centrifugal compressor stage, Communications of computational fluid dynamics, NO. 3, PP. 49-69,2004.

Hirsch, Ch. Kool, P. Measurement of the three-dimensional flow field behind an axial compressor stage, Tr. ASME, vol. 99 A. № 2, 1977 p. 168-180.

Izmailov, R. A. Lopulalan, H. D. Norimarna, G. S. Unsteady flow in centrifugal compressor numerical modelling and experimental investigation, 13th International Symposium on Unsteady Aerodynamics, Aeroacoustics and Aeroelasticity, of Turbomachines, Tokyo, Japan, 2012 pp. 55-56.

Izmailov, R. A. Lopulalan, H. D. Norimarna, G. S. Unsteady flow modeling using transient rotor - stator interface. Proceeding ASME Turbo Expo, GT2013-95788. 2013.

Jansen, W. Quasi-unsteady flow in a radial vaneless diffuser: diss. Doctor of sci. / Willem Jansen. MIT. Gas Turbine Lab., Rep. N 60. - 1960,130. p.

Japikse, D. Turbomachinery diffuser design technology: monograph / David Japikse, Concepts ETI Inc., 1984, 327. P.

Krain, H. A study on centrifugal impeller and diffuser flow, 1981.

Krause, N. Zahringer, K. and Pap, E. Rotating stall investigated in a rotating radial pump impeller using time resolved PIV: in Conference on Modelling Fluid Flow, Budapest, Hungaria, 101-107. 2003.

Krause, N. Zahringer, K. Pap, E. Time-resolved particle imaging velocimetry for the investigation of rotating stall in a radial pump., 2005.

Liu, Yangwei. Liu, Baojie. Lu, Lipeng. Investigation of unsteady impeller-diffuser interaction in a transonic centrifugal compressor stage, Beijing, China. Proceeding ASME Turbo Expo, GT2010-22737. 2010.

Ljevar, S. de Lange, H. C. van Steenhoven, A. A. Two-Dimensional Rotating Stall Analysis in a Wide Vaneless Diffuser International Journal of Rotating Machinery Volume 2006, Article ID 56420, Pages 1-11 2006.

Matsuuchi, K. Adachi, T. Measurement of the three dimensional unsteady flow inside a rotor blade passage of an axial-flow fan. Proc. IGTC. - Tokyo, 1984, vol. II.-p. 523-530.

Menter, F. R. Zonal two equation k-co turbulence models for aerodynamic flows, AIAA Paper 93-2906, 1993.

Menter, F. R. and Egorov, Y. Revisiting the turbulent scale equation, Proc. IUTAM Symposium; One hundred years of boundary layer research, Gottingen, 2004.

Menter, F.R. and Egorov, Y. A Scale-adaptive simulation model using two-equation models, AIAA paper 2005-1095, Reno/NV, 2005.

Menter, F. R. Kuntz, M. Bender, R. A scale-adaptive simulation model for turbulent flow predictions, AIAA Paper 2003-0767,2003.

Oakes, W. C. Lawless, P. B. and Fleeter, S. A Characterization of rotating stall behaviors in high and low speed centrifugal compressors, International Compressor Engineering Conference. Paper 1335, 1998.

Otugen, M. V. So, R. M. C. Hwang, В. C. Diffuser stall and rotating zones of separated boundary layer, 1988.

Pampreen, R. C. Compressor surge and stall concepts ET1, Inc. Norwich, Vermont, USA 1993.

Rober Thomas, Kugeler Edmund. Weber, Anton. Investigation of unsteady flow effects in an axial compressor based on whole annulus computations, Numerical Methods. Proceeding ASME Turbo Expo, GT2010-23522. 2010.

Sakaguchi, Daisaku. Ishida, Masahiro. Ueki, Hironobu. Suppression of rotating stall by wall roughness control in vaneless diffusers of centrifugal blowers. 2000.

Sakaguchi, Daisaku. Mukarami, Tengen. Ueki, Hironobu. Ishida, Masahiro. Hayami, Hiroshi. Unsteady flow analysis of interaction between jet-wake flow and blades of low solidity cascade diffuser in a centrifugal blower, Proceeding ASME Turbo Expo, GT2011-45475. 2011.

Turbomaschinen, DFVLR. IB-352-74/5. - Porz-Wahn. 1974.

Smagorinsky, J. General circulation experiments with the primitive equations, Month. Weath. Rev. Vol. 93, pp. 99-165, 1963.

Sorokes, J. M. Centrifugal compressor evolution, Proceedings of the 39lh Turbomachinery symposium, P.59-70. 2010.

Spakovsky, Z. S. Application of axial and radial compressor dynamics system modeling, MIT. 2001.

Tokuyama, Yuki. Funazaki, Ken-ichi. Kato, Hiromasa. Takida, Junya. Shimagaki, Mitsuru. Uchiumi, Masaharu. Unsteady flow field and structural response in a turbine stage of a rocket engine, ISUAAAT 13 - SI 0-6, 2012.

Tomita, Tsao. Ibaraki, Seiichi. Iwakiri, Kenichiro. Fukurawa, Masato. Yamada, Kazutoyo. Unsteady stall phenomena in a centrifugal compressor for turbochargers, ISUAAAT 13-S7-5, 2012.

Trebinjac, Isabelle. Buiot, Nicolas. Ottavy, Xavier. Buffaz, Nicolas. Surge inception in a transonic centrifugal compressor stage, Proceeding ASME Turbo Expo, GT2011-45116. 2011.

White, Frank. M. Fluids Mechanics. Fourth Editions, Mc Graw-Hill, 2001.

Willems, F. W. and Jager, B. D. Modeling and control of compressor flow instabilities," IEEE Control Systems, Vol. 19, No. 5, 1999, pp. 8-18.