Использование FloEFD для расчета турбинных лопаток с внутренним охлаждением

Введение

• Система охлаждения является в настоящее время неотъемлемой частью конструкции любой современной турбины. Непрерывное совершенствование и усложнение технологий охлаждения является обязательным условием реализации конкурентоспособной конструкции турбины – конструкции, в которой при увеличении температуры перед турбиной расход воздуха на охлаждение не перекрывает выигрыш в удельных параметрах двигателя, а ресурс деталей турбины соответствует требованиям заказчиков.

• На современных гражданских ТРДД большой тяги уровень температуры газа перед турбиной практически сравнялся с уровнем температуры перед турбиной для военных ТРДД. Максимальная температура газа перед ротором ТВД достигает 1400-1550 С.

• С учетом всех факторов для надежной работы средняя температура металлических лопаток не должна превышать 900...1000 С, а максимальный уровень - 1100 С. Уровень допустимых рабочих температур непосредственно зависит от характеристик применяемого материала лопаток.

• С точки зрения общей эффективности турбины в двигателе обычно необходимо проектировать систему охлаждения во-первых – с минимальным расходом охлаждающего воздуха, а во-вторых – с использованием по мере возможности отбора воздуха из-за промежуточных ступеней компрессора.

• Роль CFD методов становится одной из определяющей в общей конкурентоспособности конечного изделия.

• Целью настоящей работы является количественная и качественная оценка возможности использования вычислительного комплекса FloEFD для расчета турбинных лопаток с внутренним охлаждением.

• Особенность узлов и агрегатов двигателя и лопаток турбин: их геометрия сложна в той же степени в какой и конфиденциальна. Поэтому на данном этапе мы вынуждены использовать тестовые задачи, характеризующиеся более простой, но в то же время специфической геометрией, характерной именно для лопаточных элементов (сопловые и рабочие лопатки) газовых турбин с обязательным учетом всех или почти всех основных особенностей протекающих в них физических процессов.

‍

Основные элементы технологии FloEFD

• Идеология продуктов FloEFD базируется на 2-х основных принципах: 1) прямом использовании CAD программ в качестве источника геометрической информации; 2) комбинации прямого 3D CFD моделирования с относительно простыми инженерными моделями и методиками в тех случаях, когда сеточное разрешение является недостаточным для прямого 3D моделирования.

• Поскольку EFD технология встроена в различные CAD программы (Solid Edge, SOLIDWORKS, NX, Creo, CATIA), она изначально разрабатывалась в качестве универсальной CAD/CFD платформы, включающей в себя множество под-технологий (управление данными CAD, быстрое построение сетки, различные CFD солверы, инженерные методы расчета, обработка результатов и т.д.).

• Подход, основанный на использовании адаптированных к поверхности сеток очень чувствителен к возможным особенностям и дефектам в геометрии CAD моделей.

• В основе альтернативного подхода заложено использование неадаптированной к поверхности прямоугольной сетки (improved immersed-body mesh). Построение сетки начинается независимо от самой геометрии, при этом ячейки могут пересекать границу между твердым телом и жидкостью произвольным образом. Это делает возможным использовать численные алгоритмы, оптимизированные к декартовой прямоугольной сетке.

• Декартова прямоугольная сетка и сеточная технология являются ключевыми элементами связки и взаимодействия CAD/CFD.

• Существуют ячейки, которые полностью расположены в теле (твердотельные ячейки), в жидкости (жидкостные ячейки) и ячейки, разделенные поверхностью тела (“частичные ячейки”). В самом простом случае частичная ячейка состоит из двух контрольных объемов (CV): флюидного и твердотельного. Для лучшего разрешения геометрии или решения сетка может дополнительно сгущаться путем дробления.

• Все геометрические данные берутся непосредственно из CAD модели (Solid Edge, SOLIDWORKS, NX, Creo, CATIA).

• Такая технология позволяет получить хорошее разрешение особенностей геометрии даже на относительно грубых сетках.

• В целом используемый во FloEFD подход, основанный на декартовой сетке, позволяет выполнять расчеты сложных сопряженных и мульти-физических задач на одной (единой) сетке.

• В пакете FloEFD решаются усредненные уравнения Навье-Стокса, описывающие течения жидкости и газа, дополненные уравнением состояния, уравнением сохранения массы потока, полной энергии, массы компонент. Специальные модели используются для описания неньютоновских жидкостей, реальных газов, объемной и поверхностной конденсации и испарения, кавитации, горения и течения в пористых средах.

• FloEFD моделирует и ламинарные, и турбулентные течения. Для замыкания системы уравнений используется k-ε модель турбулентности в модификации Лэма-Бремхорста с возможностью ламинарно-турбулентного перехода.

• Основная проблема такого рода декартовых сеток состоит в разрешении пограничных слоев (ПС) на грубых сетках.

• FloEFD использует два подхода к трактовке пристеночных эффектов, позволяющие увязать расчет ПС с расчетом течения в ядре потока:

1) Модель “тонкого” ПС используется в тех случаях, когда число ячеек поперек слоя не достаточно для прямого и даже упрощенного определения скоростных и температурных профилей в ПС (уникальная подсеточная модель ПС);

2) Модель “толстого” ПС применяется когда число ячеек поперек слоя достаточно или превышает число, необходимое для его точного разрешения (модифицированные пристеночные функции).

• В промежуточном случае используется компиляция двух вышеприведенных подходов таким образом, чтобы гарантировать плавный переход между двумя моделями.

‍

Тестовый расчёт – Лопатка NASA C3X

‍

Лопатка с конвективным охлаждением

Исходные данные:

• Материал лопатки X5CrNi18-10
• Охладитель – водяной пар (моделируется как реальный газ), T=468.67 K

‍

‍

Лопатка с пленочным охлаждением

‍

Выводы

• Продемонстрирована валидация вычислительного комплекса FloEFD применительно к задачам, связанным с расчетом аэродинамических, температурных и тепловых режимов линейных рядов сопловых турбинных лопаток с разными типами внутреннего охлаждения (конвективный, пленочный) при различных значениях рабочих параметров.

• Комбинация высокой робастности и эффективности при расчетах на относительно грубых сетках, полная интеграция в CAD системы (Solid Edge, SOLIDWORKS, NX, Creo, CATIA) и высокий уровень автоматизации вместе с простотой использования показывают большой потенциал использования вычислительного комплекса FloEFD в CFD расчетах теплового состояния лопаточных элементов современных турбин.

Авторы:

• Иванов Андрей Валерьевич, к.т.н. Mentor Graphics, Mechanical Analysis Division
• Гуров Леонид Валерьевич, к.ф.м.н. Mentor Graphics, Mechanical Analysis Division

III Международный технологический форум«Инновации. Технологии. Производство», г. Рыбинск, Ярославская область, 04 - 06 апреля 2016 г.