Регистрация / Вход
Прислать материал

Создание системы параметрического проектирования центробежных компрессоров

Сведения об участнике
ФИО
Волков Андрей Александрович
Вуз
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Машиностроение. Энергетика
Раздел области наук
Тяжелое и среднее машиностроение
Тема
Создание системы параметрического проектирования центробежных компрессоров
Резюме
В настоящее время центробежные компрессоры(цбк) используются в различных областях: автомобилестроение - наддув, промышленность - газоперекачивающие установки, авиация - ракеты, беспилотные летательные аппараты. Проектирование цбк трудоёмкий и времязатратный процесс, применение системы параметрического проектирования позволит создавать в короткие сроки цбк для различных нужд.
Ключевые слова
центробежный компрессор, параметрическая модель ЦБК, сеточная модель ЦБК, CFD-расчёт ЦБК
Цели и задачи
Основная цель: создание центробежных компрессоров различной геометрии и степени повышения давления в короткие сроки.
Основные задачи: параметризация модели центробежного компрессора и автоматизация процесса проектирования.
Введение

В настоящее время область применения центробежных компрессоров многогранна. К основным достоинствам центробежного компрессора относятся: высокая степень повышения давления при сравнительно небольших осевых размерах, по сравнению с осевыми компрессорами (для существующих центробежных компрессоров: степень сжатия =5..6, для перспективных компрессоров степень сжатия ≈12), центробежные компрессоры (ЦБК) также обладают относительной простотой конструкции, меньшим числом деталей, чем в осевом компрессоре, более благоприятным протеканием характеристики, и меньшей чувствительностью к условиям эксплуатации, но коэффициент полезного действия ЦБК не превышает 85%.

Методы и материалы

Применение CFD анализа при проектировании и доводке центробежных компрессоров позволяет существенно сократить время работ и снижает стоимость конструкции. CFD-моделирование позволяет с определённой точностью прогнозировать параметры потока, что в конечном итоге позволяет добиться наилучших параметров. Использование параметрической модели ЦБК с изменяемой формой средней линии, изменяемой шириной профилей, радиусов, меридионального и тангенциального положений при проектировании, либо доводке позволяет оптимизировать геометрию ЦБК для удовлетворения требованиям технического задания, либо роста значений основных параметров – коэффициента полезного действия (КПД) и степени повышения давления. Также параметрическая 3D модель ЦБК позволяет создавать семейства ЦБК для применения в различных областях.

Современный уровень развития программных комплексов позволяет задавать маршрут технологической обработки в автоматическом режиме по 3D модели. В результате на 5-координатном станке из заготовки получают ЦБК. Такой способ производства ЦБК широко применяется в настоящее время. 

Описание и обсуждение результатов

 Система параметрического проектирования ЦБК разделяется на этапы:

  1. 1D, 2D –расчёт
  2. Создание 3d модели (выполнено в AutoBlade)
  3. CFD-расчёт (выполнено в Numeca FineTurbo)
  4. Прочностной расчёт (выполняется в ANSYS)
  5. Производство (выполняется в NX)

На данный момент пройдено 3 этапа, и частично пройден 4 этап – прочностной расчёт ЦБК (выполнена конечно-элементная модель пера лопатки). Рассмотренные этапы проектирования ЦБК выполняются в автоматическом режиме, что позволяет получить 3d модель ЦБК в короткие сроки(5-10 минут).

Произведено тестирование системы параметрического проектирования ЦБК. Поставлена задача смоделировать ЦБК удовлетворяющий требованиям: степень повышения давления: 5, расход воздуха: 5 кг/с, коэффициент полезного действия: ≥ 0,8.

Рассчитана характеристика ЦБК (рис.1,2). Как видно из графиков 2D и 3D расчёты расходятся незначительно. Для верификации методики CFD-расчёта был смоделирован и рассчитан компрессор HECC, использованы данные технического отчёта NASA/CR – 2014 – 2118114 High Efficiency Centrifugal Compressor for Rotorcraft Applications.

 

Рисунок 1 – Зависимость степени повышения давления от расхода воздуха

 

Рисунок 2 – Зависимость КПД от расхода воздуха

 

Рисунок 3 – зависимость степени повышения давления от расхода воздуха

 

Рисунок 4 – зависимость КПД от расхода воздуха

 

Как видно из графиков (рис.3,4) в целом рассчитанные и экспериментальные данные качественно совпадают, но наблюдается количественное расхо-ждение. Это говорит о том, что используемые  настройки модели приемлемы для расчёта в первом приближении. Для более точных результатов необходимо исследование сеточных моделей и настроек CFD расчёта.

Таким образом, на данный момент можно сказать, что частично реализована система параметрического проекти-рования ЦБК. Дальнейшие направления работы: совершенствование имеющейся системы: улучшение методики проект-ного расчёта, улучшение параметризации модели, применение оптимизации на всех этапах проектирования. Также необхо-димы исследования сеточных моделей и настроек CFD расчёта. После этого прочностной расчёт и задание маршрута обработки в NX.

Используемые источники
1. NASA/CR—2014-218114 High Efficiency Centrifugal Compressor for Rotorcraft Applications. Gorazd Medic, Om P. Sharma, Joo Jongwook, Larry W. Hardin, Duane C. McCormick, William T. Cousins, Elizabeth A. Lurie, Aamir Shabbir, Brian M. Holley, and Paul R. Van Slooten United Technologies Research Center, East Hartford, Connecticut
Information about the project
Surname Name
Volkov Andrey
Project title
CREATING A SYSTEM OF PARAMETRIC DESIGN OF CENTRIFUGAL COMPRESSORS
Summary of the project
The paper discusses the application of centrifugal compressors. The analysis of the need for a system of parametric design of centrifugal compressors.
Keywords
Modeled centrifugal compressor. CFD-calculation. Verification of the results of calculation.