Введение к работе
Актуальность работы. Современные методы прогнозирования для гидромашин на этапе проектирования их энергетических и кавитациошшх характеристик, статической и динамической нагруженности включают в себя, как правило, програшу решения прямой гидродинамической задачи обтекания лопастной системы рабочего колеса (РК) и неподвижных лопастных систем. Учет пространственного характера течения составляет одно из главных направлений современных теоретических исследований, нацеленных на совершенствование проточных частей турбомашин различных типов. Существующие в настоящее время методы расчета трехмерного потока в изолированной однорядной гидродинамической решетке или характеризуются упрощенным подходом, в осное'ном, в вопроса:: моделирования вихревой пелены за лопастями или отличаются повышенной продолжительностью времени решения задачи на ЭВМ. Используемые в большинстве методов упрощения ставят трудности принципиального характера при попытках обобщения этих методов для расчета нестационарного потока, возникающего при взаимодействии РК с неподвижными лопастными системами. Длительное время счета сдерживает внедрение метода в практику автоматизированного проектирования элементов проточной части гидромашин и ставит чисто технические трудности при обобщении такого метода для решения задачи взаимодействия решеток. Расчетное определение динамической нагруженности взаимодвижущихся лопастных систем базируется сейчас, в лучшем случае, на расчетах потока в квазитрехмерной постановке.
Метод конечных элементов (МКЭ), являясь мощным средством решения различных задач современной физики, получил несколько меньшее распространение в задачах гидродинамики турбомашин, чем различные модификации алгебраического метода аппроксимации интегральных уравнений (МАИУ). Дальнейшее развитие МКЭ позволяет исключить недостатки, сдерживающие его применение к этим задачам, и с успехом использовать все его преимущества.
Работа выполнялась автором в ЛТТУ и ЦКБМ в соответствии с общесоюзной научно-технической программой на 1986 - 1990 гг. по?
постановлению ГКНТ и АН СССР от 10.11.85 г. N 5ТЗ/13Т, а также по договору меаду ЛГТУ и ЦКБМ N 302701 "Разработка и исследование модели ГЦН диагонального типа со сферическим отводом для АЭС мощностью 1500-2000 МВт."
Целью работы является создание достаточно - быстродействующего метода, полно описивающего трехмерный потенциальный поток идеальной жидкости в изолированной однорядной гидродинамической решетке,а такие нестационарный поток, возникающий при взаимном влиянии лопастных систем гидромашины.
В соответствии с поставленой целью решались задачи:
-
разработать теоретические основы расчета пространственных течений в лопастных системах МКЭ;
-
сформулировать трехмерную постановку прямой задачи обтекания для изолированной однорядной гидродинамической решетки, разработать алгоритм и программу ее численного решения;
-
сформулировать трехмерную постановку задачи для неустановившегося течения во взаимодействующих лопастных системах;
4 х применить предлагаемый аппарат для проектирования и прогнозирова-ши характеристик модельного диагонального насоса ІЩЦ2 (ГЦНА-1391). Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем.
-
Впервые при использовании 1ШЭ построена трехмерная модель обтекания лопастной системы гидромашины, учитывающая реальную геометрию самих обтекаемых поверхностей и вихревых следов за ними.
-
Разработан и программно реализован алгоритм решения задачи обтекашш изолированной однорядной гидродинамической решетки, как чисто потенциальным потоком жидкости, так и с заданной' во всей области завихренностью.
-
Сформулирована постановка задачи и разработан алгоритм расчета нестационарного трехмерного потока жидкости, возникающего при взаимодействии лопастных систем гидромашины.
-
Разработана аппроксимация функции, претерпевающей внутри конечного элемента (КЭ) разрыв 1-го рода (скачек) и ее приложение в вариационной формулировке МКЭ для решения уравнения Лапласа в неодносвязной области.
-
Впервые в гидромашиностроении для ускорения итерационного процесса решения прямой задачи обтекания использовался метод сопряженных градиентов для несимметричных-матриц.
-
Расчетно-теоретическим путем исследовано влияние закрутки 2
потока на входе в лопастную систему, в также различных типов условий схода на распределение скоростей и значение циркуляции вектора абсолютной скорости по профилям лопастей.
Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается:
() достаточной строгостью теоретических положений модели потенциального течения в лопастных системах гидромашин;
2) проверкой работы наиболее важных численных процедур на тестовых
примерах;
3) удовлетворительным согласованием расчетных и экспериментальных
данных для рабочих колес центробежного компрессора, радаально -
осевого, диагонального и осевого насосов.
Практическое значение работы заключается в следующем.
1. Разработана быстродействующая программа- расчета трехмерного течения в лопастных системах.
2.Разработанные методики использованы'при проектировании и прогнозировании внешних характеристик диагонального насоса со сферическим отводом ЩІА-1391. в результате спроектирован насос с достаточно высокш.! для данной конструкции .коэффициентом полезного действия.
3.Предлагавши метод шнгроксимации разрывной в КЭ функции монет бить использован при применении МКЭ к другим задачам гидромеханики, например, для аппроксимации скачка давления в сверхзвукопсч потоке.
Внедрвіпіе. Результаты диссертационной работы использованы при проектировании лопастной системы опытного насоса ГЩА-1391.
Аігробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на:
I) научной конференции посвящєшіой 100 - лотию со дня рождения И.Н.Вознесенского, г.Ленинград 1987 г.
?.) VIJI всесоюзной научно-технической конференции "Создание компрессорных машин и установок, обеспепочивающих интенсивное развитие отраслей тенлигко-знегетического комплекса" г.Сумы,1989 г. 3) заседании4 кафедри гидромашиностроения ЛГТУ,г.Ленинград,1990 г.
ЇЇУ-бі'ШІШ'Л- По теме диссертации опубликованы тезисы доклада, депонированы 2 статьи и выпущен научно-технический отчет по законченной научно-исследовательской работе.
СІРУ.ЩШ и ойцм PJXIoth. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения,списка использованной литературы из 83 наименований ? и приложения 1-ї виде документа, подтверждающего вкєдреше полученных
результатов. Работа изложена на 94 страницах машинописного текста и иллюстрируется 37 рисунками.
Автор выражает благодарность доценту кафедры гидромашиностроения ЛГТУ к.т.н. А.А.Жарковскому за полезные советы в теоретических вопросах и неоценимую помощь в решении практических задач возникавших в процессе работы над диссертацией.
