При возникновении вибраций в валопроводе ГПА важную роль могут играть газодинамические процессы в проточном тракте компрессора. В данной работе представлены результаты численного исследования напряженно-деформированного состояния трехступенчатого компрессора ГПА с учетом тепловых и газодинамических нагрузок. Рассмотрены факторы, влияющие на зазоры в лабиринтных уплотнениях и вибрации валопровода Ключевые слова: газодинамический расчет, напряженно-деформированное состояние, ANSYS Workbench, ANSYS CFX, газоперекачивающий агрегат, компрессор.
Численное исследование напряженно-деформированного
состояния трехступенчатого модельного компрессора ГПА с
учетом тепловых и газодинамических нагрузок
agora.guru.ru/pavt
вался обобщенный закон Гука [
где ρ – плотность газа; V – скорость движения газа; k – турбулентная энергия; H – энтальпия газа; μT – вязкость газа; ε – скорость диссипации турбулентной энергии; G – расход газа; f, C1, Для проведения расчета напряженно-деформированного состояния конструкции использо(3) (5) (1) (2) (4) где ε – относительные деформации; γ – угловые деформации; σ – нормальные напряжения; τ – тангенциальные напряжения; E – модуль упругости; µ - коэффициент Пуассона; G – модуль сдвига.
= = = − − − − − − = = =
} 3. Подготовка вычислительного эксперимента 3.1. Расчетная модель трехступенчатого компрессора ГПА
При моделирования газодинамических и тепловых процессов, протекающих в проточном тракте компрессора ГПА, была создана твердотельная модель модельной ступени. В ходе этих процедур были подготовлены поверхности, которые в дальнейшем использовались при наложении граничных и начальных условий. При моделировании сложной геометрии тракта особое внимание было уделено вопросам корректного описания взаимных пересечений и исключения разрывов между поверхностями, т.к. наличие таких ошибок делает невозможным выполнение конечно-элементного расчета [5]. На следующем этапе при проведении вычислительных экспериментов созданная твердотельная модель была импортирована в расчетную среду Ansys Workbench. В данном программном продукте на основе созданной геометрии модельной ступени компрессора ГПА была разработана модель проточного тракта для газодинамического расчета. Кроме того, были созданы расчетная модель трехступенчатого компрессора для расчетов полей температур и напряженно-деформированного состояния в конструкции как с учетом, так и без учета нагрева и газодинамических нагрузок (рис. 1). Рис. 1. Расчетная модель: а –проточный тракт модельного трехступенчатого компрессора для газодинамического расчета; б – конструкция модельного трехступенчатого компрессора для теплового анализа и оценки напряженно-деформированного состояния. 3.2 Подготовка сеточной модели
При проведения численных расчетов большое внимание было уделено построению сеточной модели. Время построения модели на высокопроизводительном вычислительном комплексе ПНИПУ после отладки расчетной геометрии составляло от 20 до 60 минут в зависимости от размера ячеек. Количество ячеек составляло от 75 до 1500 тыс ячеек. Для построения сеточной модели использовался встроенный в Ansys Workbench инструмент Meshing, использующий алгоритм ICEM CFD. В результате были построены сеточные модели для оценки напряженно-деформированного состояния конструкции (рис. 2, а) и расчета газодинамических параметров (рис. 2, б).
а) б) Рис. 2. Конечно-элементная модель модельного трехступенчатого для газодинамического анализа (а) и оценки напряженно-деформированного состояния (б)
При построении сеточной модели для были использованы тетраэдральные конечные элементы. Они позволили более точно описать расчетную геометрию, которая имеет сложные обтекаемые формы. Общее число узлов в конечно-элементной сетке для расчета газодинамических процессов составило 878564, для теплового анализа и оценки напряженно-деформированного состояния – 530576. 3.3. Определение потребных мощностей высокопроизводительного вычислительного комплекса для решения задач
Были проведены тестовые расчеты для оценки потребных ресурсов
Высокопроизводительного вычислительного комплекса ПНИПУ [
Рис. 3. Зависимость времени газодинамического расчета от числа сеточных узлов 4. Основные результаты вычислительных экспериментов 4.1. Результаты исследования газодинамических процессов
На рис. 4, а показаны поля давления торможения. Видно, что на входе давление соответствует граничным условиям 4.1 МПа. На периферии лопаток наблюдается рост давления, которое достигает 7.2 МПа. Далее, при движении потока по тракту наблюдается разворот потока при мало изменяющемся давлении. К выходу давление возрастает до значений 10.2 МПа. На рис. 4, б показаны поля температур торможения в газодинамическом потоке. Видно, что Tвх ≈ 15 ˚С. Далее наблюдается рост температуры, более интенсивный в рабочем колесе. В зоне лабиринтных уплотнений наблюдается температура около 17-51.2 ˚С.
а) б) Рис. 4. Результаты газодинамического расчета в проточном тракте компрессора при частоте вращения 6000 об/мин: а –давление торможения; б – поле температуры торможения.
Также были проанализированы поля температур без учета движения газа (рис. 5). В зоне лабиринтных уплотнений наблюдается понижение температуры. Это связано с понижением давления и изменением плотности в зоне поворота проточного тракта. Значения температуры в зоне лабиринтных уплотнений рабочих колес составили 12.5 – 50.85 0C. Рис. 5. Распределение поля температур в проточном тракте компрессора при частоте вращения 6000 об/мин. 4.2. Результаты исследования теплового состояния конструкции модельного компрессора
Результаты исследования газодинамических процессов в проточном тракте компрессора были переданы в тепловой анализ для различных частот вращения рабочих. Результат в виде тепловых полей для частоты вращения 6000 об/мин представлен на рис. 6. При проведение теплового анализа на внешних стенках корпуса задавалась температура 15 0C. Максимальные значения температур достигают на выходе из модельного компрессора. В зависимости от частоты вращения максимальные значения температуры изменяются от 76,91 0C до 105,4 0C. В процессе работы компрессора происходит нагрев стенок, что может приводить к неравномерному напряженно-деформированного состоянию конструкции. Рис. 6. Поле температур в конструкции модельного трехступенчатого компрессора газоперекачивающего агрегата 4.3. Результаты оценки напряженно-деформированного конструкции модельного компрессора
При проведении оценки напряженно-деформированного состояния конструкции от действия внутреннего давления и температуры нагрузки на стенки проточного тракта модельного стенда центробежного компрессора были переданы из газодинамического расчета и теплового анализа. В качестве граничных условий были заданы ограничения на перемещения в местах крепления элементов конструкции стенда к опорам. В качестве равновесной температуры было задано значение 22 0C, что соответствует средней температуре сборки конструкции по техническим требованиям. При проведении комплексного анализа напряженно-деформированного состояния конструкции центробежного компрессора модельного стенда было выявлено, что наибольшее влияние на напряжения (рис. 7) и перемещения оказывает температурная нагрузка. Рис. 7. Эквивалентные напряжения по Мизесу в конструкции модельного трехступенчатого компрессора газоперекачивающего агрегата от действия внутреннего давления и температуры при частоте вращения 6000 об/мин. 5. Заключение По результатам проделанной работы можно сделать следующие выводы: 1. Основной вклад в формирование напряженно-деформированного состояния конструкции вносит температурное нагружение, вызванное нагревом воздуха при сжатии его в компрессоре газоперекачивающего агрегата. Суммарное влияние температуры на напряженно-деформированное состояние конструкции составляет более 90%. 2. Относительное смещение элементов лабиринтного уплотнения зависит от теплового нагружения и газодинамических нагрузок. Основной вклад оказывает температура. При учете температуры зазор в лабиринтном уплотнении уменьшается на 2%. 3. Разработана методика численных экспериментов исследования газодинамических и деформационных процессов в модельном компрессоре газоперекачивающего агрегата. Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект №14-1900877).
Литература 6. Решение инженерных задач на высокопроизводительном вычислительном комплексе ПНИПУ моногр. под ред. В.Я. Модорского. –Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2014. -314с.
Numerical study of stress-strain state of the model of threestage compressor gas distributed unit taking into account thermal and gas-dynamic loads
Perm National Research Polytechnic University1 In the event of vibrations in shafting GPA can play an important role in gas-dynamic processes of the flow path of the compressor. This paper presents the results of numerical investigation of the stress-strain state of a three-stage compressor GPA taking into account thermal and gas-dynamic loads. The factors affecting the gaps in the labyrinth seals and vibration of shafting 1.
Mekhonoshina E.V., Modorskii V.Ya., Petrov V.Yu.. Numeric simulation of the interaction between subsonic flow and a deformable profile blade on the compressor experiment phase // Proceedings of International Conference Information Technology and Nanotechnology (ITNT-2015). – 2015. – p. 211-218 MODORSKIY Vladimir Yakovlevich, SHMAKOV Arthur Fadanisovich. Numerical Modeling of Gasdynamic Processes and Processes of Deformation in Compressor of Model Test Bench of the Gas-Distributing Unit // Applied Mechanics and Materials Vols. 799-800. – 2015. – p. 865 – 869 Modorskiy V. Ya., Sokolkin Ju. V. Gazouprugiye protsessy v energeticheskikh ustanovkakh [Gaselastic processes in engine installation]. / Under edition Ju. V. Sokolkin. – M.: FIZMATLIT, 2007. – 176 p.