Математическая модель и пакет программ для численного анализа теплового состояния лопаток турбомашин на стадии их автоматизированного проектирования

Создание новых образцов техники с улучшенными характеристиками сопровождается широким использованием систем автоматизированного проектирования (САПР) и требует разработки специализированных программно-информационных комплексов, объединяющие в себе средства САПР и пакеты программ для проведения с высокой точностью сопутствующих расчетов. Одной из основных тенденций в турбостроении является повышение параметров рабочего тела перед турбиной. Это приводит к необходимости совершенствования систем охлаждения теплонагруженных элементов и увеличения точности прогнозирования их теплового состояния на стадии проектирования. К наиболее теплонагруженным элементам турбины относятся рабочие и сопловые лопатки. По оценке специалистов абсолютная погрешность расчетного прогнозирования температуры лопатки на стадии ее проектирования не должна превышать 20 — 30 К [93].

Отсутствие возможности получить достоверные данные по температурному состоянию теплонагруженных элементов турбомашин расчетным путем на этапе проектирования приводит к необходимости длительной и дорогостоящей экспериментальной доводки турбомашин в стендовых и промышленных условиях.

Современные коммерческие программные пакеты для инженерных расчетов, например, Ansys, DesignSpace, не обеспечивают требуемую точность расчетного прогнозирования теплового состояния лопаток. Это связано с тем, что в известных пакетах не представляется возможным учесть влияние на граничные условия теплообмена реального распределения температуры по поверхностям лопатки и ее изменения во времени, а также особенностей обменных процессов в межлопаточном канале.

Наличие пакета программ, позволяющего проводить с повышенной точностью численный анализ теплового состояния лопаток турбомашин на стадии их автоматизированного проектирования, позволяет сократить сроки экспериментальной доводки турбомашин, поэтому тема работы, направленная на реализацию этой возможности представляется актуальной.

Для реализации этой возможности в рамках диссертационной работы разработан интегрированный в систему автоматизированного проектирования SolidWorks пакет программ для детального анализа теплового состояния лопаток турбомашин, который позволяет проводить с повышенной точностью расчеты теплового состояния лопаток в процессе их автоматизированного проектирования. Разработан и реализован дифференциальный метод расчета граничных условий теплообмена в сопряженной постановке, отражающий основные особенности обменных процессов в пограничном слое корыта и спинки лопатки. Разработана и реализована в пакете модель турбулентного переноса, отражающая наличие на поверхностях лопатки участков с различными режимами течения и учитывающая влияние факторов нестационарности, продольного градиента давления, кривизны обтекаемой поверхности.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Математическая модель турбулентного переноса и методика расчета граничных условий теплообмена рабочего тела с поверхностью лопатки.

2. Оригинальные компоненты программно-информационного комплекса: интегрированный в систему автоматизированного проектирования SolidWorks пакет программ для детального расчета теплового состояния лопатокмодуль для численного интегрирования системы дифференциальных уравнений пограничного слоя на поверхностях корыта и спинкиэлектронные базы данных.

3. Результаты численного исследования эффективности пленочного охлаждения лопаткирезультаты численного исследования теплового состояния лопатки с конвективно-пленочной системой охлаждения, полученные с помощью разработанного программного пакета.

Диссертация имеет следующую структуру.

В первой главе приведён обзор научно-технической информации о современных методах расчета температурного состояния лопаток турбомашин. Дан анализ особенностей теплообмена между потоком рабочего тела и лопаткой. Выполнен анализ существующих методик расчёта граничных условий теплообмена на поверхности лопаток. Показано, что в настоящее время отсутствуют интегрированные в САПР пакеты программ для прогнозирования с достаточной точностью теплового состояния лопаток турбомашин. Отмечено, что точность расчета граничных условий теплообмена (коэффициентов теплоотдачи и адиабатной температуры стенки) оказывает существенное влияние на точность прогнозирования теплового состояния лопаток. Влияние особенностей течения в межлопаточном канале на обменные процессы в пограничном слое может быть адекватно учтено путем использования дифференциальных методов расчета пограничного слоя.

Вторая глава посвящена математическому моделированию теплового состояния лопатки: моделированию тепловых процессов при взаимодействии потоков рабочего тела и охладителя с поверхностью лопаткимоделированию трехмерного нестационарного температурного поля лопатки в нелинейной постановке. Дана математическая формулировка этих задач, разработана методика их численного интегрирования. Сформулированы условия, при которых обеспечивается сходимость и устойчивость численного решения обеих задач.

В третьей главе приведена структура пакета программ, интегрированного в пакет САПР SolidWorks, описаны разработанные программные модули: модуль генерации расчетной сетки лопатки, модуль расчета граничных условий на поверхностях лопатки, модуль расчета трехмерного нестационарного температурного поля лопаткиприведены результаты тестирования данных программных модулейпроведена проверка адекватности и достоверности полученных расчетных результатов с экспериментальными данными, имеющимися в научно-технической литературе.

В четвертой главе приведены результаты численного исследования эффективности завесы на поверхностях корыта и спинки турбинной лопатки при ее пленочном охлаждении с использованием разработанного программного комплекса. Также приведены результаты численного исследования теплового состояния лопатки при ее пленочно-конвективном охлаждении.

Работа выполнена в рамках госбюджетной программы при финансовой поддержке министерства образования (грант Т00−6.7−66 Конкурсного центра грантов по фундаментальным исследованиям в области технических наук) на кафедре «Теплоэнергетика» Ульяновского государственного технического университета.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ВЫВОДЫ.

1. Разработан интегрированный в систему автоматизированного проектирования SolidWorks пакет программ для детального анализа теплового состояния лопаток турбомашин, который позволяет проводить с повышенной точностью расчеты теплового состояния лопаток в процессе их автоматизированного проектирования.

Повышение точности расчетов теплового состояния лопаток достигается за счет определения граничных условий теплообмена в сопряженной постановке с учетом основных особенностей обменных процессов в пограничном слое корыта и спинки и анализа теплового состояния лопатки в нестационарной нелинейной трехмерной постановке. Общая погрешность определения максимальной температуры лопатки — ДГшах = ±26,3.35,0 К, минимальной температуры — МтЫ = ±9,5 К.

2. Разработана модель турбулентности, учитывающая влияние на обменные процессы в пограничном слое на поверхностях корыта и спинки сосуществования различных режимов течения, нестационарности, продольного градиента давления и кривизны обтекаемой поверхности.

3. Разработана методика расчёта граничных условий теплообмена на корыте и спинке лопаток турбин на основе численного интегрирования системы дифференциальных уравнений пограничного слоя.

4. Созданы электронные базы данных, содержащих теплофизические свойства рабочих тел, охладителя, конструкционных материалов лопаток при различных значениях температур.

5. С использованием разработанных программ проведено численное моделирование и исследование теплового состояния лопатки с конвективно-пленочной системой охлаждения.