Оптимізація лопатки компресора

Оптимізація лопатки компресора по газодинамічним показникам і показникам міцності, з використанням односторонньої передачі даних. Розрахунок граничних умов. Вибір матеріалу - титанового сплаву. Розрахунок газодинаміки робочого колеса в програмі ANSYS CFX.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Размещено на

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського

«Харківський авіаційний інститут»

Кафедра конструкції авіаційних двигунів

Оптимізація лопатки компресора

Пояснювальна записка до курсового проекту

з дисципліни «Комп'ютерні-інтегровані системи проектування»

2012



Зміст

лопатка компресор газодинаміка оптимізація

Вступ

1. Постановка задачі

2. Схема розрахунку, припущення при розрахунку

3. Геометрична модель

4. Модель матеріалу

5. Розрахунок граничних умов

6. Результати розрахунку

6.1 Газодинамічна оптимізація

6.2 Оптимізація за показниками міцності

Висновок

Список використаної літератури



Вступ

Оптимізація робочої лопатки компресора є однією з найактуальніших задач при проектуванні ГТД (газотурбінних двигунів), так як впливає на довершеність його газодинамічних параметрів та параметрів міцності. На сьогоднішній день існує велика кількість спеціалізованих програм, що дозволяють проводити оптимізацію по різноманітним критеріям в 2-D і 3-D постановках, серед них виокремлюється програмний комплекс ANSYS. Цей комплекс дозволяє оптимізувати лопатку по газодинамічним показникам і по показникам міцності, а також надає можливість виконати односторонній та двосторонній FSI аналізи.

Використання FSI підходу при проектуванні сучасних ГТД необхідно для отримання точного розв'язку складних фізичних явищ, таких як деформація пера лопатки від дії відцентрових сил, газодинамічних навантажень, температур, а також зміну обтікання профілю, що викликана деформацією лопатки від навантажень і коливань.



1. Постановка задачі

Мета дослідження - оптимізація лопатки компресора по газодинамічним показникам і показникам міцності, з використанням односторонньої передачі даних. Ціль дослідження - отримати для робочого колеса першого ступеня компресора низького тиску турбогвинтовентиляторного двигуна найвищий ККД, оптимальний степінь підвищення тиску і найменші напруження. Ціль дослідження була поставлена керуючись основними тенденціями розвитку газогенераторів сучасних ГТД [1]:

збільшення аеродинамічного навантаження ступенів компресора та турбіни для зменшення кількості ступенів газогенератора і відповідного зниження собівартості виробництва та ремонту;

зменшення розміру газогенератора для ГТД фіксованої тяги (потужності) в зв'язку з загальною тенденцією підвищення температури газу перед турбіною і степеня двоконтурності (для цивільних ТРДД);

застосування передових технологій: робочих коліс типу „blisk” та „bling” в компресорі;

Необхідно відмітити, що зменшення кількості ступенів газогенератора є найбільш актуальним для авіаційних ГТД - в першу чергу для бойових ТРДДФ, так як підвищується компактність і знижується маса. Також це дуже важливо для двигунів регіональних і ближньомагістральних літаків. Для них зниження закупівельної ціни, вартості ремонту і обслуговування має значний вплив на зниження прямих експлуатаційних витрат, ніж економічність двигуна. Послідовність розв'язку задачі наступна - створення параметричної моделі лопатки першого ступеня КНТ ( компресора низького тиску ) ТГВД ( турбогвинтовентиляторного двигуна ), потім оптимізація по газодинамічним показникам, вибір оптимальної моделі і передача газодинамічних і температурних навантажень до модуля структурного аналізу, оптимізація по найменшим напруження.

2. Схема розрахунку, припущення при розрахунку

Розрахунок проводиться в програмному комплексі ANSYS в модулі Workbench, схема розрахунку представлена на мал. Мал. 2.1, його структура наступна:

блок А - геометрична модель;

блок В - сітка газодинамічної частини;

блок С - обчислювальний модуль ANSYS CFX;

блок D - обчислювальний модуль Static Structural, який включає в себе модель матеріалу та сітку для моноколеса;

блок Е - газодинамічна оптимізація;

блок F - оптимізація напружено-деформованого стану за допомогою зміни відносної товщини лопатки;

блок G - оптимізація напружено-деформованого стану за допомогою виносу центрів ваги поперечних перерізів лопатки;

блок H - оптимізація напружено-деформованого стану за допомогою зміни радіусу галтелі.

Схема навантаження приведена на мал. Мал. 2.2.

При розрахунку були зроблені наступні припущення:

розраховується 1/21 частина (сектор) моноколеса;

нехтуємо отворами під болти;

нехтуємо перетіканням газу в радіальному зазорі;

нехтуємо галтеллю при газодинамічній оптимізації;

при передачі газодинамічних навантажень з CFD до структурного аналізу відбувається апроксимація так як сітки не є конформними.

Мал. 2.1 - Схема розрахунку проекту

Мал. 2.2 - схема навантаження моделі



3. Геометрична модель

За основу для створення геометричної моделі пера лопатки було взято стандартний профіль А-40, на основі даних [2] в CAD пакеті SolidWorks за допомогою рівнянь було побудовано параметричну геометрію профілю.

Перо лопатки будується по п'ятьом перерізам, кожен з перерізів має керуючі розміри від яких залежать всі інші. Керуючими розмірами є:

- хорда профілю;

- відносна товщина профілю;

- кут входу потоку;

- кут виходу потоку;

- кут атаки;

- відносний прогин середньої лінії профілю.

Мал. 3.2 - Сектор моноколеса

Проточна частина лопатки була створена за допомогою програмного комплексу ANSYS і представлена на мал. Мал. 3.3.

Мал. 3.3 - Проточна частина



Сітка скінчених елементів для моноколеса побудована в ANSYS Mesh, вона складається з 120000 тетраедрів, має згущення в районі галтелі (місце максимальних напружень) та на маточині диска. На поверхнях циклічної періодичності сітка є конформною. Сітка моноколеса показана на мал. Мал. 3.4.

Мал. 3.4 - Сітка моноколеса

Сітка скінчених елементів для проточної частини побудована в ANSYS TurboGrid за допомогою методу ATM Optimize, вона складається з 125000 високоякісних гексаедричних елементів, має згущення поблизу пера лопатки, верхньої і нижньої стінок каналу для моделювання турбулентності. На поверхнях циклічної періодичності сітка є конформною. Сітка проточної частини показана на мал. Мал. 3.5.

Мал. 3.5 - Сітка для проточної частини



4. Модель матеріалу

В якості матеріалу для моделі моноколеса вибрано титановий сплав ВТ8 ГОСТ 19807-91.

Матеріал володіє наступними властивостями:

густина - ;

модуль Юнга - ;

коефіцієнт Пуассона - ;

температурний коефіцієнт лінійного розширення - ;

теплопровідність - ;

питома теплоємність - .

Вибраний матеріал володіє ортотропними властивостями, а сама деталь працює в зоні пружності, тобто пластичні деформації відсутні.

В якості матеріалу для моделі проточної частини вибрано ідеальний газ при температурі .



5. Розрахунок граничних умов

Граничними умовами для розрахунку є данні, що отримані з [4]:

повний тиск на вході в робоче колесо (РК)

статичний тиск на виході з РК

швидкість обертання КНТ

Значення радіусів перерізів та змінюваних параметрів та їх межі представлені в таблиці 5.1.

Таблиця 5.1 - Граничні умови

№
1
2
3
4
5



6. Результати розрахунку

6.1 Газодинамічна оптимізація

Розрахунок газодинаміки робочого колеса проводився в програмі ANSYS CFX, основним параметром оптимізації був механічний коефіцієнт корисної дії (ККД) робочого колеса, окрім нього враховувавсь і ступінь збільшення тиску.

Для проведення оптимізації використано програму Goal Driven Optimization, основним параметром оптимізації як згадувалось вище є механічний ККД, менш важливим ступінь збільшення тиску...