Рассохин Виктор Александрович

4

Энергетика и электротехника

После определения значений а^(Й,ю) по

выражениям (22) можно найти составляющие магнитного поля в области пространства

Р>Ро-

Таким образом, приведенные соотношения позволяют определить в волновом и квазистационарном случаях пространственно-временную структуру электромагнитных полей ИУ по результатам измерений на охватывающих цилин-

дрических поверхностях. Наиболее простая практическая реализация цилиндрического сканера возможна при выполнении допущений об уединенности источника. Такие условия возможны в экранированной безэховой камере, оборудованной сверширокополосным радио-поглощающим материалом. Однако необходимо учитывать, что с уменьшением частоты возрастает уровень вторичного поля, и следует использовать методы и средства, позволяющие выделить поле ИУ на фоне вторичного.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Курочкин, А.П. Теория и техника антенных измерений |Текст| / А.П. Курочкин // Антенны,— 2009. № 7,- С. 39-44.

4. Демирчян, К.С. Теоретические основы электротехники: Т. 2 |Текст| / К.С. Демирчян, J1.Р. Нейман, Н.В. Коровкин,- СПб.: Питер, 2009,- 430 с.

5. Кирпанев, А.В. Исследование широкополос-

УДК621.165

А.А. Епифанов, А.И. Кириллов, В.А. Рассохин

РАСЧЕТ ТРЕХМЕРНОГО ТЕЧЕНИЯ В СТУПЕНЯХ МАЛОРАСХОДНЫХ ТУРБИН

Положительный опыт применения программного комплекса ANSYS CFX для расчета характеристик сопловых и рабочих решеток малорасходных турбин конструкции JIПИ позволил перейти к постановке задачи численного моделирования трехмерного течения вязкого газа в ступенях, составленных из таких решеток. Задача облегчалась тем, что характеристики решеток в широком диапазоне изменения числа Маха (0,7—1,8) удалось прогнозировать с приемлемой для инженерных целей точностью , используя экономный в отношении затрат вычислитель-

ных ресурсов ЯА^-подход с замыкающей вы-сокорейнольдсовой версией модели турбулентности 88Т-СС .

Цели и задачи исследования. Основная проблема расчета трехмерного течения в ступени — учет взаимного влияния течений в неподвижной решетке лопаток направляющего аппарата и во вращающейся решетке лопаток рабочего колеса. С целью моделирования эффекта взаимного влияния решеток в современных программных комплексах в зазоре между лопаточными венцами размещают искусственную поверхность со-

пряжения параметров потока при переходе от абсолютного движения к относительному.

Наиболее точное решение задачи достигается расчетом нестационарного течения как в области направляющей решетки, так и в области решетки рабочего колеса. Однако следует иметь в виду что время, необходимое для расчета одного режима нестационарного течения в ступени в полной постановке, даже на персональном компьютере весьма высокого класса (процессор /5, тактовая частота 2,7 ГГц, оперативная память 16 Гб) измеряется неделями. Поэтому, решая задачу расчета обтекания ступени в приемлемое для инженера время и с необходимой точностью, целесообразно рассмотреть возможность применения упрощенных опций, требующих значительно меньших вычислительных ресурсов.

Отмеченное выше определило задачи нашей работы:

исследовать влияние реализованных в ANSYS CFX способов сопряжения течения в решетках соплового аппарата и рабочего колеса на характеристики типовой малорасходной турбинной ступени конструкции JIП И ;

верифицировать результаты расчетов в широком диапазоне режимов работы ступени.

Влияние способа сопряжения. Объект исследования — малорасходная ступень (рис. 1), состоящая из 24-х сопловых и 75-ти рабочих лопаток со следующими геометрическими характеристиками: угол выхода сопловой решетки — 5°; безразмерный шаг сопловой решетки* —3,8; угол входа рабочей решетки — 13°; угол выхода рабочей решетки — 13°; безразмерный шаг рабочей решетки — 1,7.

Программный комплекс AN SYS CFX позволяет сопрягать течение в решетках соплового аппарата и рабочего колеса тремя способами. Два из них, способы Stage и Frozen Rotor, предусматривают расчет стационарного течения, а третий способ, Transient Rotor Stator, — нестационарного течения в ступени.

При расчете кольцевой решетки рабочего колеса способом Stage на поверхности сопряжения выполняется осреднение в окружном направлении параметров потока, определяющих входные граничные условия. В этих условиях решетка рабочих лопаток обтекается в относитель-

* Здесь и далее безразмерным шагом решетки названо отношение шага к осевой ширине решетки.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

ном движении искусственно сформированным осесимметричным стационарным потоком. Такая схема расчета позволяет независимо от соотношения чисел сопловых и рабочих лопаток ограничиться расчетом одного канала как в сопловой, так и в рабочей решетке, поскольку и в том, и в другом случаях ставятся периодические граничные условия. Расчет одного режима работы ступени способом Stage на указанном выше компьютере с использованием RANS-под-хода и высокорейнольдсовой модели турбулентности занимает около двух часов.

Способ Frozen Rotor, как и способ Stage, предусматривает расчет стационарного течения в абсолютном для решетки соплового аппарата и в относительном для решетки рабочего колеса движении, но при фиксированном положении одних лопаток относительно других. Через поверхность сопряжения поток проходит без осреднения в окружном направлении. При таком подходе возникает проблема выделения расчетной области.

С уменьшением общего кратного А’чисел сопловых и рабочих лопаток расчетная область становится чрезмерно большой. При К— 1 (что часто встречается в реальных конструкциях) она охватывает все межлопаточные каналы ступени. С целью снижения времени расчета до разумных пределов профили скорости (и распределения других консервативных величин) приходится масштабировать в окружном направлении. Конечно, масштабирование вносит в расчет погрешность. Однако выполненные нами оценки показали, что при разнице длин расчетных областей сопловой и рабочей решеток в окружном направлении менее 5 % дополнительная погрешность от масштабирования не превышает погрешности вычисления интегральных характеристик ступени*. Для рассматриваемой ступени в качестве расчетной области достаточно выбрать один сопловой и три рабочих канала (см. рис. 1). При этом профиль скорости рабочей решетки масштабируется в отношении 1:0,96, что вполне приемлемо.

Для того чтобы, пользуясь способом Frozen Rotor, получить осредненное влияние на обтекание решеток неоднородности поля скорости

* Вопрос о влиянии масштабирования решеток на точность расчета их аэроупругих характеристик требует специального изучения.

Рис. 1. Среднее сечение малорасходной ступени (слева) и масштабирование профилей скорости на поверхности сопряжения при расчете способами Frozen Rotor и Transient Rotor Stator (справа)

в межвенцевом зазоре ступени, необходимо выполнить несколько расчетов при различных взаимных положениях сопловых и рабочих лопаток. Опыт расчетов показал, что удовлетворительный по точности результат достигается уже после трех расчетов. При этом входную кромку рабочей лопатки в плоскости сопряжения следует размещать на расстоянии около 1/6 шага рабочей решетки справа и слева относительно аэродинамического следа, сходящего с сопловой лопатки, а также устанавливать в положение, соответствующее направлению указанного аэродинамического следа, примерно в середину межлопаточного канала рабочей решетки. Продолжительность расчета одного режима работы ступени способом Frozen Rotor втрое больше, чем способом Stage, и составляет около 6 часов.

Нестационарный расчет способом Transient Rotor Stator требует наибольших временных затрат. Этим способом течение рассчитывалось с шагом по времени около 5-10—6 с, что соответ-

ствует 40 взаимным положениям сопловой и рабочей решеток за цикл смещения рабочей лопатки на величину шага направляющей решетки. Время непрерывного расчета одного режима работы ступени в этом случае достигает 14 суток. По окончании расчета вычисляются осреднен-ные за цикл характеристики ступени.

Рассмотрим структуру потерь в ступени на номинальном режиме (М с1 = 1,45), полученную каждым из трех способов сопряжения решеток соплового аппарата и рабочего колеса (рис. 2). Расчет способом Stage прогнозирует всплески потерь на поверхности сопряжения со стороны сопловой решетки (см. рис. 2, а, область Д). При M ci <1,3 всплески исчезают, при больших числах Маха — усиливаются. Расчеты способами Frozen Rotor и Transient Rotor Stator (рис. 2, би в) аналогичных всплесков потерь не выявили. Поэтому есть основание полагать, что всплески потерь в области А — результат присущего способу Stage искусственного осреднения парамет-

Рис. 2. Поля локальных коэффициентов потерь в венцах ступени, полученные в расчетах способами сопряжения Stage (а), Frozen Rotor (б) и Transient Rotor Stator (в)

ров потока на поверхности сопряжения, и их следует признать артефактными.

При сопряжении решеток соплового аппарата и рабочего колеса способом Frozen Rotor рабочие лопатки обтекаются неоднородным потоком, вследствие чего заметно возрастают потери в рабочей решетке и несколько увеличиваются потери в области выходных кромок сопловых лопаток из-за обратного влияния рабочей решетки. Учет эффекта нестационарности (расчет способом Transient Rotor Stator) также приводит к перераспределению потерь в расчетной области (рис. 2,би в).

д А д О Д О

д о о □

0,18 0,20 0,22 0,24 0,26 0,28 0,30 0,32 u¡cQ

Рис. 3. Зависимость расчетного КПД ступени, вычисленного по параметрам торможения, от режима работы ступени:

расчет способами Stage (0);Frozen Rotor (Л);

Transient Rotor Stator (□)

Рассмотрим интегральные характеристики ступени. Кривая, соответствующая КПД ступени (рис. 3) и рассчитанная способом сопряжения Stage, лежит ниже кривой, полученной с помощью Frozen Rotor, в среднем на 1,5—2,0 %. Этот противоречащий физике течения результат связан с завышением при расчете способом Stage потерь в сопловой решетке (рис. 4) вследствие их артефактных всплесков вблизи поверхности сопряжения.

о с о Q) о □ о

д L 1 д д д д

0,18 0,20 0,22 0,24 0,26 0,28 0,30 0,32 М/С,

Рис. 4. Зависимость коэффициента потерь в решетке соплового аппарата от режима работы ступени:

расчет способами Stage (О); Frozen Rotor (А); Transient Rotor Stator (□)

Расчет способом Transient Rotor Stator показывает заметное увеличение потерь в сопловом аппарате (см. рис. 4) и в решетке рабочего колеса (рис. 5), а также снижение КПД ступени под влиянием нестационарности. На номинальном режиме (u/Cq » 0,27), например, КПД снизился примерно на 7,5 % по сравнению с данными расчета способом Frozen Rotor (см. рис. 3).

L д

с 5 д о А о д о □ д

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

о

0,18 0,20 0,22 0,24 0,26 0,28 0,30 0,32 и /С о

Рис. 5. Зависимость коэффициента потерь в решетке рабочего колеса от режима работы ступени

расчет способами Stage (О);Frozen Rotor (А);

Transient Rotor Stator (□)

Приведенные выше данные, а также опыт расчета суммарных характеристик других малорасходных ступеней в широком диапазоне режимов на основе численного моделирования трехмерного течения свидетельствуют о возможности эффективного применения для этой цели программного комплекса ANSYS CFX. Достигаемая точность расчетного определения потерь в ступени оказывается в обратной зависимости от затраченного на расчет времени.

При этом необходимо иметь в виду, что наиболее экономичный с точки зрения затрат вычислительного времени способ Stage нельзя рекомендовать для ступеней со сверхзвуковыми сопловыми аппаратами (Мс1>1,3) при малых углах выхода потока из сопел (сс^0) из-за артефактных явлений на поверхности сопряжения. В таких случаях для расчета стационарного течения следует использовать способ Frozen Rotor. Поправку на дополнительные потери от нестационарности можно оценить, выполнив один-два расчета способом Transient Rotor Stator для характерных значений режимного параметра.

Верификация расчетных характеристик ступени. Объект исследования — малорасходная ступень конструкции ЛПИ, которая испытыва-лась на модернизированном и оснащенном системой сбора и обработки экспериментальных

Энергетика и электротехника

л*

0,55 0,50 0,45 0,40 0,35

гп □ •

ы 1

С •П ]

0,15 0,20 0,25 0,30 и/С о

Рис. 6. Зависимость внутреннего КПД ступени от режима работы при полном давлении перед ступенью = 0,2 МПа: эксперимент (•); расчет (□)

Лв

0,60 0,55 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30

г ‘ □ «

□ в г

• —1

• —□—

0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 и/С0

данных стенде ЭТ-ЗМ кафедры ТДУ СПбГПУ. Ступень состояла из 24 тангенциально расположенных сопловых и 75 рабочих лопаток. Основные геометрические характеристики лопаточного аппарата: геометрический угол выхода сопловой решетки — 5°; безразмерный шаг сопловой решетки — 3,8; геометрический угол входа рабочей решетки — 7,3°; геометрический угол выхода рабочей решетки — 7,3°; безразмерный шаг рабочей решетки — 1,7.

С целью снижения протечек и повышения эффективности работы ступени в ее конструкции предусмотрено развитое прикорневое осерадиальное

4 □

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

с

• □ я

• □

0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 и/Со

уплотнение. Между периферией рабочих лопаток и стенкой корпуса предусмотрен радиальный зазор 0,5 мм. Для снижения осевого усилия на подшипники диск рабочего колеса изготовлен с отверстиями. При постановке расчета эти конструктивные особенности ступени моделировались.

Ступень верифицировалась по данным испытаний в широком диапазоне изменения числа оборотов рабочего колеса (п = 2000—8000 об/мин) и давления торможения перед соплами (/?* = 0,2— 0,42 МПа) при неизменной температуре торможения на входе (= 323 К) и неизменном противодавлении (/?2 = 0,103 МПа).

□ •

г

0,1 0,2 0,3 р1, МПа

Рис. 9. Зависимость массового расхода от полного давления перед ступенью: эксперимент (•); расчет (□)

Из экспериментальных данных было известно, что уровень чисел Маха за сопловым аппаратом на всех режимах не превышал 1,28. Исходя из этого решетки соплового аппарата и рабочего колеса можно было сопрягать способом Stage, не опасаясь артефактных явлений в плоскости сопряжения. К рассчитанным в стационарной постановке величинам коэффициентов потерь в решетках соплового аппарата и рабочего колеса добавлялась поправка на величину потерь от нестационарности.

Рис. 6—9 позволяют сопоставить экспериментальные и расчетные значения внутреннего КПД

ступени, а также массового расхода на различных режимах. Расчетные и экспериментальные значения внутреннего КПД ступени и расхода вполне удовлетворительно согласуются в широком диапазоне изменения режимных параметров.

Результаты выполненных пробных и верификационных расчетов с использованием программного комплекса AN SYS CFX обосновывают возможность корректного расчета суммарных характеристик малорасходных турбинных ступеней конструкции JIПИ на основе моделирования трехмерного течения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

УДК621.31 3.3

С.Ю. Логинов

СНИЖЕНИЕ ВЗАИМОВЛИЯНИЯ РАДИАЛЬНЫХ СИЛ В БЕСПОДШИПНИКОВОЙ ИНДУКТОРНОЙ МАШИНЕ

Современное развитие электропривода идет в направлениях наращивания скоростей и мощностей, а также расширения областей его применения (работа в вакууме , при высоких и низких температурах, агрессивных средах, сверхчистых технологиях). В связи с этим возникают определенные проблемы, связанные с подшипниковыми опорами. Кардинальное решение проблем состоит в избавлении от механических опор как таковых. Существуют несколько вариантов выполнения бесподшипниковых опор: газостатические, газодинамические, гидростатические, гидродинамические и активные магнитные под-

шипники. Каждый из вариантов имеет как преимущества, так и недостатки.

В некоторых приложениях электроприводов (работа в вакууме, сверхчистые технологии) можно применять только активный магнитный подвес (АМП) . Недостаток АМП связан с необходимостью значительного увеличения длины вала, что в свою очередь приводит кумень-шению критических скоростей и номинальных частот вращения. Следующий этап в развитии АМП — бесподшипниковая электрическая машина (БЭМ). В зазоре создается электромагнитное поле, которое в свою очередь создает каквра-

Записи созданы 8132

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Похожие записи

Начните вводить, то что вы ищите выше и нажмите кнопку Enter для поиска. Нажмите кнопку ESC для отмены.

Вернуться наверх