СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВАННЫ ЛОПАТКИ
METHOD OF MODELLING BATHTUB OF BLADE

Область техники
Изобретение относится к области автоматизированного проектирования.
В частности, оно относится к способу моделирования ванны на конце лопатки.
Предшествующий уровень техники
Диск, имеющий на своей периферии множество лопаток и вращающийся в газотурбинном двигателе, называют рабочим колесом. На конце каждой лопатки 1, как показано на фиг. 1а, существует зазор относительно корпуса, окружающего рабочее колесо, обеспечивающий относительное вращение рабочего колеса относительно корпуса.
С учетом разности давления между поверхностью нагнетания и поверхностью всасывания лопатки и с учетом движения рабочего колеса на уровне этого зазора появляется поток утечки. Этот поток утечки является причиной многих аэродинамических и аэротермических проблем. В частности, на стороне всасывания возникает завихрение, которое ослабляется внутри канала (за счет расхождения канала турбин, см. фиг. 1b) и которое часто называют «завихрением зазора». С учетом локального повышения на конце лопатки скорости горячей текучей среды в потоках утечки вблизи стенки увеличивается теплопередача посредством принудительной конвекции.
Чем меньше зазор, тем выше эффективность рабочего колеса, за счет уменьшения расхода текучей среды. Однако необходимо сохранять не равный нулю зазор, чтобы избегать трения между концом лопатки и стенкой корпуса.
Действительно, интенсивные трения приводят к повышению температуры в конце лопатки, которое ускоряет его износ, не считая механических проблем (контакта), связанных с элементом, вращающимся с высокой скоростью. Это напрямую влияет на срок службы лопатки и корпуса.
Чтобы ограничить эти проблемы, связанные с трением, на конце лопатки выполняют так называемую «ванну» 2. Пример такой ванны представлен на фиг. 2а. Под ванной следует понимать открытую полость, проходящую от конца лопатки, имеющую небольшую высоту (несколько миллиметров) и, возможно, сложную форму.
Целью является уменьшение площади поверхности на конце лопатки, чтобы сохранить допустимый контакт и одновременно уменьшить трение. Высоту ванны рассчитывают таким образом, чтобы износ соответствовал полному сроку лопатки во время работы.
Кроме того, исследования показали, что эта технология позволяет получить лучшие аэродинамические характеристики, в частности, за счет влияния на завихрения в зазоре и в канале. Были предложены ванны 2 с очень сложными формами. Можно указать патентный документ ЕР1748153, в котором предложена ванна (ограничивающая закрытую полость 2а и открытую полость 2b), показанная на фиг. 2b.
Желательно еще больше улучшить геометрические формы ванн, чтобы еще больше снизить аэродинамические потери и уменьшить, в частности, термический и механический износ (повышение КПД, увеличение срока службы, улучшение механического поведения, снижение расхода топлива и т.д.).
Известны многие компьютерные инструменты для моделирования лопаток или других авиационных деталей, позволяющие проектировать эти детали, автоматически оптимизируя некоторые из их характеристик. Принцип состоит в определении механического геометрического оптимума закономерностей детали, иначе говоря, одной или нескольких кривых, описывающих значение физической величины (такой как КПД или повышение давления) вдоль части детали в данной окружающей среде, посредством большого числа вычислений моделирования.
Эти инструменты применяют для ванн после определения общей формы (например, числа полостей, числа проемов, наличия крылышек, дефлектора и т.д.). Иначе говоря, требуется предварительное знание топологии, что значительно ограничивает оригинальность форм ванны, которые можно получить, если только значительно не увеличить задействованную вычислительную мощность.
Таким образом, пока очень трудно улучшить ванны, поэтому было исследовано только небольшое число топологий.
Следовательно, желательно найти инновационный способ моделирования ванн лопатки, который обеспечивает существенное улучшение ее аэродинамических и механических характеристик, оставаясь при этом экономичным с точки зрения использования информативных ресурсов.
Раскрытие изобретения
Первым объектом изобретения является способ моделирования по меньшей мере части ванны лопатки, характеризующийся тем, что включает в себя осуществление, при помощи средств обработки данных оборудования, этапов, на которых:
(а) параметризируют объем, отображающий указанную часть ванны как совокупность участков, отходящих от опорной поперечной поверхности лопатки, при этом лопатка физически содержит участки, и каждый участок:
– связан с элементарной поверхностью, выбранной из множества элементарных поверхностей, образующих разделение по меньшей мере части указанной опорной поперечной поверхности; и
– определен высотой участка относительно указанной опорной поверхности (S);
(b) определяют оптимизированные значения высот участков по отношению к заданному аэродинамическому и/или термическому критерию;
(с) на интерфейсе указанного оборудования воспроизводят определенные таким образом значения.
Согласно другим предпочтительным и не ограничительным особенностям:
– значения, оптимизированные относительно заданного аэродинамического критерия, определенные на этапе (b), являются значениями высот участков, при которых аэродинамические потери и/или термическое влияние на уровне ванны являются минимальными;
– число элементарных поверхностей составляет от 3 до 1000, предпочтительно от 20 до 300;
– элементарные поверхности образуют разделение указанной опорной поперечной поверхности в соответствии с заданной сеткой;
– каждый участок является цилиндрическим элементом, основанием которого является элементарная поверхность, с которой он связан;
– каждая высота участка относительно указанной опорной поверхности меньше максимальной контрольной высоты, зависящей от высоты лопатки;
– указанная контрольная максимальная высота меньше 25% и предпочтительно составляет от 1% до 7% высоты лопатки;
– указанная контрольная максимальная высота является такой, что большинство участков имеют нулевое оптимизированное значение высоты участка;
– этап (b) содержит объединение по меньшей мере двух смежных элементарных поверхностей, при этом для участков, связанных с объединенными элементарными поверхностями, определяют общее оптимизированное значение высоты участка;
– этап (с) содержит объединение в блок участков, которые определены как имеющие ненулевое оптимизированное значение высоты участка и для которых соответствующие элементарные поверхности являются смежными, при этом осуществляют сглаживание краев участков.
Вторым и третьим объектами изобретения являются способ изготовления лопатки газотурбинного двигателя, включающий в себя этапы, на которых:
– осуществляют способ, являющийся первым объектом, чтобы моделировать по меньшей мере часть ванны лопатки;
– изготавливают указанную лопатку в соответствии с произведенным моделированием указанной по меньшей мере части ванны;
а также рабочее колесо, содержащее множество лопаток, полученных при помощи способа, являющегося вторым объектом.
Четвертым объектом изобретения является оборудование для моделирования по меньшей мере части ванны лопатки, характеризующееся тем, что содержит средства обработки данных, выполненные с возможностью применения:
– модуля параметризации объема, отображающего указанную часть ванны как совокупность участков, отходящих от опорной поперечной поверхности лопатки, при этом лопатка физически содержит участки, при этом каждый участок:
– соответствует элементарной поверхности, выбранной из множества элементарных поверхностей, образующих разделение по меньшей мере части указанной опорной поперечной поверхности; и
– определен высотой участка относительно указанной опорной поверхности;
– модуля определения оптимизированных значений высот участков по отношению к заданному аэродинамическому и/или термическому критерию;
– модуля воспроизведения определенных значений на интерфейсе указанного оборудования.
Пятым и шестым объектами изобретения соответственно являются компьютерный программный продукт, содержащий командные коды для осуществления являющегося первым объектом способа моделирования по меньшей мере части ванны лопатки; и средство хранения, считываемое вычислительным оборудованием, на котором записан компьютерный программный продукт, содержащий командные коды для осуществления являющегося первым объектом способа моделирования по меньшей мере части ванны лопатки.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 (уже описана) показана лопатка рабочего колеса газотурбинного двигателя;
на фиг. 2 (уже описана) – потоки, появляющиеся на конце лопаток;
на фиг. 2а – 2b (уже описаны) – известные ванны;
на фиг. 3 – ванна, моделированная способом согласно изобретению;
на фиг. 4 – система для осуществления способа согласно изобретению;
на фиг. 5а – 5с – три примера сеток опорной поверхности, используемых в способе согласно изобретению;
на фиг. 6а – 6d – четыре последовательных этапа для получения конечной формы конца лопатки.
Варианты осуществления изобретения
Моделирование посредством участков
Способ согласно изобретению является способом моделирования по меньшей мере одной части ванны 2 лопатки 1. В дальнейшем описании будет рассмотрен пример моделирования всей ванны 2.
В способе согласно изобретению предложено отображать ванну не как полость (то есть место удаления материала) на конце лопатки 1, а как выступ (то есть место добавления материала), представляющее собой объем (в смысле геометрического тела) V на конце лопатки 1.
В частности, как показано на фиг. 3, конец лопатки 1 разбивают на некоторое количество «участков» (которые будут более детально описаны далее) переменной высоты.
Часть ванны 2 моделируют во время проектирования посредством компьютерного оборудования 10, показанного на фиг. 4. Оно содержит средства 11 обработки данных (один или несколько процессоров, средства 12 хранения данных (например, один или несколько жестких дисков), интерфейсные средства 13 (представляющие собой средства ввода, такие как клавиатура и мышь или сенсорный интерфейс, и средства воспроизведения, такие как экран для отображения результатов). Предпочтительно оборудование 10 является сверхмощным вычислительным устройством, однако понятно, что вполне возможно осуществлять способ на разных платформах.
Оптимизацию осуществляют относительно аэродинамического и/или термического критерия. Иначе говоря, можно отдать предпочтение аэродинамическому критерию перед термическим или их комбинации.
Под аэродинамическим критерием следует понимать критерий, связанный с характеристиками лопатки 1 в движении, в частности, минимизацию аэродинамических потерь на уровне ванны 2. Понятно, что можно выбрать другие аэродинамические критерии, например, можно поставить задачу максимизации аэродинамической эффективности и т.д.
Под термическим критерием понимают критерий, связанный с механическим поведением лопатки 1 при высокой температуре, в частности, минимизацию термического воздействия, то есть разрушения полости 2 под действием повышения температуры. Действительно, ставится задача ограничения износа лопатки по причине ее окисления при высокой температуре, например, используя форму, способствующую рассеянию или униформизации тепла. Важно всегда помнить, что газовый поток, попадающий на лопатку турбины высокого давления, имеет температуру порядка 1500°С. При этой температуре лопатка может очень быстро снизить свои качества и даже разрушиться, если не контролировать термическое влияние. В этом случае, даже если достигнута наилучшая аэродинамическая оптимизация, соответствующие хорошие характеристики не являются долговременными, и появляются риски технической неисправности (повреждение внутренних контуров вентиляции в лопатке).
Параметризация
Необходимо параметризировать ванну 2, которую требуется оптимизировать, то есть сделать из нее функцию N входных параметров. При этом оптимизация состоит в изменении этих различных параметров под напряжением вплоть до определения их оптимальных значений для заранее определенного критерия (в частности, аэродинамических потерь), чтобы определить «закономерность». Затем получают «сглаженную» геометрию путем интерполяции на основании определенных проходных точек.
В этом случае число необходимых вычислений напрямую (линейно и даже экспоненциально) связано с числом входных параметров задачи.
Желательно использовать большое число параметров для повышения качества моделирования (это является главной целью при проектировании лопаток), однако такой подход быстро оказывается ограниченным мощностью и ресурсами современных процессоров.
Даже при использовании дорогих сверхмощных ЭВМ время, необходимое для моделирования, остается достаточно длительным.
С другой стороны, отмечают, что при большом количестве параметров появляются проблемы: действительно, определяемые закономерности имеют слишком большое число проходных точек, которые необходимо соблюдать, и получаемые первые геометрические формы являются ненормально «волнистыми» и не могут быть использованы в таком состоянии. Их необходимо дорабатывать, пока они не станут достаточно гладкими, что еще больше увеличивает время, необходимое для получения результатов.
Как будет пояснено далее, способ согласно изобретению обеспечивает отличное качество моделирования любой геометрической формы ванны 2 (в том числе геометрических форм, которые ранее не рассматривались), которая при ограниченном числе параметров позволяет добиться значительного снижения аэродинамических потерь.
На этапе (а), осуществляемом средствами 11 обработки данных под управлением оператора осуществляют параметризацию вышеупомянутого объема V, отображающего указанную часть ванны 2 как совокупность участков 20, отходящих от поперечной опорной поверхности S лопатки 1.
Опорная поверхность S предпочтительно соответствует поверхности, образованной
концом лопатки (до добавления ванны 2). В частности, речь идет о профиле лопатки 1, предпочтительно находящемся в плоскости, ортогональной к оси укладки сечений лопатки 1. Как показано на фиг. 3, поверхность S соответствует границе между ванной 2 и остальной частью лопатки 1.
Важно отметить, что «участки» 20 образуют ванну физически и в этом смысле являются частью лопатки 1. Объем V является таким образом частью объема лопатки. Если способ применяют для моделирования всей ванны 2, то в этом случае объем V и ванна совпадают (возможно, с учетом сглаживания).
Каждый участок 20:
– связан с элементарной поверхностью Si, выбираемой среди множества элементарных поверхностей Si, образующих разделение по меньшей мере части указанной поперечной опорной поверхности S; и
– определен высотой участка относительно указанной опорной поверхности S.
i
Каждый участок является геометрическим телом с предварительно определенным основанием (поверхность Si) и с переменной высотой h.
i
i
Таким образом, ванну 2 (или часть ванны) параметризируют как вектор размера N значений h высот участка, где N является числом элементарных поверхностей Si, и h является высотой участка 20 над соответствующей поверхностью Si.
В случае моделирования всей ванны элементарные поверхности образуют разделение всей опорной поверхности S.
Элементарные поверхности Si можно получить в соответствии с заданной сеткой поверхности S, три примера которой представлены на фиг. 5а – 5с. На фиг. 5а сетка является декартовой (элементарные поверхности Si являются квадратами или фрагментами квадрата). На фиг. 5b сетка следует двум углам β1 и β2, соответствующим двум главным направлениям профиля лопатки 1. Она соответствует декартовой координатной сетке, в которой система координат не является ортогональной (элементарные поверхности Si являются ромбами или фрагментами ромба). На фиг. 5с сетка является «гибридной», то есть является декартовой в центре поверхности S и следует контуру лопатки на краю поверхности S.
На фиг. 6а (которая будет служить основой для описанного далее примера) представлен частный пример сетки со 160 элементарными поверхностями Si, следующей только контуру лопатки. Такая сетка является исключительно эффективной, поскольку позволяет точно моделировать обычные геометрические формы полостей.
Вместе с тем, понятно, что способ согласно изобретению не ограничен никаким специальным распределением элементарных поверхностей Si, достаточно только, чтобы они образовали разделение моделируемой зоны и чтобы все они имели относительно эквивалентные площади.
Число N элементарных поверхностей Si соответствует числу входных параметров (поскольку оптимальную высоту необходимо определять по каждому участку 20 и, следовательно, по каждой элементарной поверхности Si) и по меньшей мере равно трем (поверхность нагнетания, поверхность всасывания и донная поверхность), однако предпочтительно оно является немного большим (чем больше поверхностей Si, тем выше качество моделирования). Современные компьютерные ресурсы позволяют обрабатывать до 1000 поверхностей Si, однако понятно, что интервал 20 – 300 уже дает отличные результаты (надлежащая дискретизация поверхности) при очень умеренном использовании компьютерных ресурсов (ограничение числа параметров оптимизации). Наиболее предпочтительными значениями являются значения вокруг 200 (например, 160).
i
i
Каждый участок 20 является физическим элементом, который возвышается над элементарной поверхностью Si на высоту h, предпочтительно составляющую от 0 до контрольной максимальной высоты е, которая зависит от высоты лопатки 1. Эта максимальная высота е показана на фиг. 3 и определяет положение опорной поверхности S в лопатке. Предпочтительно эта высота е должна быть равна требуемой глубине полости 2. Это позволяет максимизировать число участков 20, при которых оптимальная высота будет нулевой (то есть соответствующая поверхность Si совпадает с донной поверхностью ванны), и снизить вычислительную сложность оптимизации. Каждая высота h может быть выражена как часть е (составляет от 0 до 100%).
Как правило, эту высоту выбирают меньше 25% общей высоты лопатки 1, и предпочтительно она составляет от 1% до 7% этой высоты (получают достаточно глубокую ванну, при этом износ соответствует полному сроку лопатки во время работы.).
Предпочтительно каждый участок 20 является цилиндрическим элементом, основанием которого является элементарная поверхность Si, с которой он связан. В данном случае термин «цилиндрический» следует понимать в математическом смысле, и он обозначает любое геометрическое тело, ограниченное поверхностью, образованной прямой постоянного направления, перемещающейся вдоль замкнутой кривой (образующей), и двумя параллельными плоскостями (его основаниями). Обычный прямой и круговой цилиндр, называемый цилиндром вращения, является лишь примером (так же, как плиты, призмы и т.д.). В способе согласно изобретению каждый участок 20 является геометрическим телом с основанием Si (любой формы), таким, что любое сечение в плоскости, параллельной S, равно Si.
i
i
i
Объем такого участка 20 определяется формулой h × s (где s является площадью элементарной поверхности Si). Общий объем ν объема V (то есть ванны 2) равен в этом случае .
Оптимизация и воспроизведение
i
Второй этап (b) способа является этапом определения средствами 11 обработки данных, оптимизированных (и, если возможно, оптимальных) значений высот h участков. Речь идет об этапе оптимизации.
Специалисту в данной области известны многие методы для осуществления этого этапа, и, например, можно просто псевдослучайно варьировать выбранные переменные параметры и осуществлять моделирование для определения этих оптимизированных значений (то есть значений, при которых максимизируют выбранный аэродинамический и/или термический критерий, например, уменьшение завихрений зазора). Однако изобретение не ограничено этой возможностью.
Следует отметить, что предварительно можно осуществить обработку для ограничения числа параметров (сделать его меньше N), чтобы ускорить моделирование.
i
В частности, этап (b) может включать в себя объединение участков 20. Это объединение состоит в группировании по меньшей мере двух участков 20, для которых соответствующие элементарные поверхности Si являются смежными, при этом для этих участков 20 определяют общее оптимизированное значение высоты участка. Иначе говоря, для двух (или более) соседних участков 20 определяют только одну высоту h. Решение об этом объединении можно принять при помощи генетических алгоритмов.
На последнем этапе (с) определенные значения параметра или параметров воспроизводят при помощи интерфейсных средств 13 оборудования 10 для использования, например, посредством отображения объема V, при котором параметры соответствуют этим оптимизированным значениям.
Предпочтительно этап (с) включает в себя сглаживание участков «участками». Как показано на фиг. 6b, участки 20, которые определены как имеющие ненулевое оптимизированное значение высоты участка (иначе говоря «высокие» участки) и для которых соответствующие элементарные поверхности Si являются смежными (то есть которые имеют по меньшей мере один общий конец), объединены в блоки.
Как показано на фиг. 6с, края блока «сглаживают» таким образом, чтобы составляющие его участки 20 образовали кромку (на английском языке «rim»). Как показано на фиг. 6d, обработанный таким образом объем V можно объединить с остальной частью лопатки 1 для воспроизведения на этапе (с).
i
В альтернативном варианте интерфейсные средства 13 могут только отображать цифровые значения оптимальных высот h.
Способ изготовления и лопатка
После моделирования ванны 2 можно изготовить лопатку 1. Естественно, для моделирования остальной части лопатки 1 можно применять другие способы моделирования. Множество лопаток 1 можно соединить таким образом, чтобы получить рабочее колесо в комплекте.
Таким образом, изобретением предложен способ изготовления лопатки газотурбинного двигателя, включающий в себя этапы, на которых:
– осуществляют способ, являющийся первым объектом, чтобы моделировать по меньшей мере часть ванны 2 лопатки 1;
– указанную лопатку изготавливают в соответствии с моделированием указанной по меньшей мере части полученной ванны.
Полученная таким образом лопатка (конец которой содержит ванну, смоделированную, как было указано выше) имеет геометрическую форму лучшего качества, позволяющую уменьшить завихрения зазора и соответствующие потери.
Среди возможных способов изготовления можно указать литье или прямое изготовление (например, аддитивное изготовление или изготовление при помощи порошковой металлургии).
Оборудование
Оборудование 10 (показанное на фиг. 4) для осуществления способа моделирования по меньшей мере части ванны 2 лопатки 1 содержит средства 11 обработки данных, выполненные с возможностью применения:
– модуля параметризации объема V, отображающего указанную часть ванны 2 как совокупность участков 20, отходящих от опорной поперечной поверхности S лопатки 1, при этом лопатка 1 физически содержит участки, при этом каждый участок 20:
– соответствует элементарной поверхности Si, выбранной из множества элементарных поверхностей Si, образующих разделение по меньшей мере части указанной опорной поперечной поверхности S; и
– определен высотой участка относительно указанной опорной поверхности S;
– модуля определения оптимизированных значений высот участков по отношению к данному аэродинамическому и/или термическому критерию;
– модуля воспроизведения определенных значений на интерфейсе 13 указанного оборудования 10.
Компьютерный программный продукт
Объектами изобретения соответственно являются компьютерный программный продукт, содержащий командные коды для осуществления (на средствах 11 обработки данных, в частности, на средствах оборудования 10) являющегося первым объектом способа моделирования по меньшей мере части ванны 2 лопатки 1, а также средства хранения, считываемые вычислительным оборудованием (например, память 12 этого оборудования 10), на которых записан этот компьютерный программный продукт.