Компьютерная программа «TurbocompressorCAD v 1.0»
Калинкевич Н.В., доцент;
Гавриченко И.В., инженер ОАО «Сумское НПО им. М. В. Фрунзе»
Турбомашины настолько широко применяются во всех ведущих отраслях промышленности, что снижение эксплуатационных затрат этих машин является одной из важнейших задач для любой страны. В основе экономичного использования турбомашин находится газодинамическое совершенство их проточной части. Проточные части турбомашин имеют сложную геометрическую форму, течение газа или жидкости носит в общем случае трехмерный характер. Особенности течения газа в турбокомпрессорах, в которых во многих элементах поток имеет значительную диффузорность, делают структуру потока весьма сложной. Математические модели для расчета турбулентных течений вязких жидкостей или газов в каналах турбомашин имеют сложный вид.
Наряду с использованием универсальных программных комплексов (ANSYS CFX, Fluent, Flow Vision) для расчета течения газа в каналах турбомашин остаются актуальными инженерные методы оптимального газодинамического проектирования.
Течение газа в турбомашинах происходит в проточной части, которая может быть представлена как комбинация каналов разного типа. Некоторые из них являются криволинейными осерадиальными каналами.
Рассматривается методика проектирования осерадиальных каналов турбомашин. Математическая модель состоит из двух частей: автоматизированное проектирование меридионального контура осерадиального канала по задаваемому распределению площади поперечного сечения канала и расчет параметров потока газа.
Общая задача проектирования – нахождение оптимальной геометрии канала, при которой обеспечиваются минимальные габариты при минимальных потерях энергии. Решение общей задачи проектирования в указанной постановке является довольно сложной проблемой. В рассматриваемой методике принято более простое для решения условие оптимальности, а именно, оптимальными считаются каналы с наименьшими габаритами, в которых обеспечивается безотрывное течение газа.
В общем случае течение газа в проточной части турбомашин нестационарное, пространственное, поток турбулентный. В рассматриваемом методе для получения зависимостей, позволяющих выполнить расчет параметров потока газа в криволинейных осесимметричных каналах, сделан ряд допущений: рассматривается установившееся течение сжимаемой жидкости (газа) без теплообмена с окружающей средой. Принята физическая модель, в которой газ в ядре потока считается невязким, а вязкость газа учитывается при расчете течения в пограничном слое. Выбор такой схемы течения при использовании интегральных зависимостей для определения параметров газа в ядре потока и применении для расчета течения в пограничном слое одной из полуэмпирических теорий позволяет значительно уменьшить время, необходимое для выполнения расчетов.
Программа «TurbocompressorCAD v 1.0» разработана в среде Delphi 7.0 на языке программирования Object Pascal в соответствии с созданной методикой. Программа предназначена для проектирования меридионального контура осерадиального канала турбокомпрессора и расчета течения газа в этом канале.
Уравнения образующих периферийной и втулочной поверхностей определяются в виде кривых второго порядка. Для определения коэффициентов уравнений используется метод Крамера.
Программа позволяет: рассчитать геометрические параметры канала, параметры потока газа в канале, а также получить графики распределения приведенных скоростей и приведенных давлений в канале.
Исследование влияния величины массового расхода на структуру потока газа выполнено для . Как показывают результаты расчета, качественная картина течения газа не зависит от величины массового расхода. При увеличении массового расхода приведенные скорости потока газа возрастают во всей области течения, увеличивается разница между значениями приведенных скоростей на втулочной и периферийной поверхностях в поперечном сечении канала. Для всех рассмотренных вариантов величина степени диффузорности на втулочной поверхности на входе в канал практически не изменяется.
Исследование влияния геометрической формы каналов на структуру потока газа было выполнено для пяти вариантов каналов, которые отличались характером изменения площади поперечного сечения. Форма каналов изменялась путем задания различных значений коэффициента площади канала. Рассматривались каналы с линейным изменением площади, с повышенной диффузорностью канала на входе и с повышенной диффузорностью канала на выходе.
Анализ результатов расчета дает возможность произвести выбор оптимальной геометрической формы меридионального контура осерадиального канала центробежного компрессора, благодаря чему, можно ожидать снижения энергозатрат на привод компрессора.
|