СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПОМПАЖА В ГАЗОВОМ КОМПРЕССОРЕ
SURGE IN THE GAS COMPRESSOR PREDICTING METHOD

ОБЛАСТЬ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к реализуемому компьютером способу прогнозирования помпажа (пульсации) в рабочей характеристике газового компрессора посредством расчета CFD (ʺкомпьютерного моделирования динамики текучей средыʺ).
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В процессах проектирования и разработки газового компрессора, наибольшую важность имеет возможность прогнозировать запас по помпажу с помощью эффективного по затратам расчета устойчивой CFD. Однако в современном уровне техники, прогнозирование запаса по помпажу с достоверностью может быть в значительной степени затруднительным. Это, в частности, обусловлено недостатками современных моделей CFD, т.е. областей, которые сопрягаются и решаются в расчете CFD. Как правило, известно применение методологий расчета CFD к моделям, содержащим:
- геометрию впуска, включающую в себя впускные направляющие лопатки;
- геометрию ступеней ротора;
- геометрию ступеней статора;
- геометрию выпуска, включающую в себя выходные направляющие лопатки.
Граничные условия среднего статического давления, применяемые непосредственно на выпуске выходных направляющих лопаток, изменяются для моделирования различных коэффициентов давления. Когда достигается численная нестабильность, предполагается, что достигнута оценка точки помпажа. Однако оценка реального компрессора за счет численной нестабильности может быть неточной, ввиду явно ограничительного характера граничного условия, применяемого настолько близко к выпуску выходных направляющих лопаток, тем самым приводя к искусственному разделению потока вблизи выхода, вызывающему численную неустойчивость. Фактически, за реальным компрессором обычно следует либо система сгорания, либо выходная нагнетательная камера, которые обычно не учитываются в известных моделях CFD, описанных выше.
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы преодолеть эти недостатки, чтобы достичь лучшей оценки реальной точки помпажа компрессора посредством расчета CFD.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Чтобы решить основную задачу, определенную выше, предложен реализуемый компьютером способ в соответствии с независимым пунктом формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения описывают предпочтительные варианты осуществления и модификации изобретения.
В соответствии с настоящим изобретением, предложен реализуемый компьютером способ прогнозирования точки помпажа компрессора, содержащий следующую последовательность этапов:
- генерирование множества сеток, подходящих для расчета посредством ʺкомпьютерного моделирования динамики текучей средыʺ компрессора, причем сетки включают в себя:
сетку впуска компрессора,
по меньшей мере сетку ступени ротора компрессора,
сетку выпуска компрессора, представляющую множество выходных направляющих лопаток и выходное сопло и продолжающуюся до концевой площади выходного сечения сопла,
- сборку множества сеток для получения вычислительной области ʺкомпьютерного моделирования динамики текучей средыʺ,
- задание граничных условий вычислительной области,
- задание условий атмосферного давления на концевой площади выходного сечения сопла,
- вычисление посредством расчета ʺкомпьютерного моделирования динамики текучей средыʺ потока вдоль компрессора для расчета массового расхода на впуске компрессора и коэффициента давления компрессора,
- проверку, достигнут ли предопределенный предел численной стабильности, и если предел численной стабильности не достигнут, то:
- уменьшение размеров концевой площади выходного сечения сопла,
- генерирование заново сетки выпуска компрессора,
- повторение упомянутых этапов задания атмосферного давления на концевой площади выходного сечения сопла, упомянутого этапа вычисления и упомянутого этапа проверки.
Преимущественно, сопло предоставляется в вычислительной области в направлении вниз по потоку от выходных направляющих лопаток, чтобы постепенно ослабить давление до атмосферных уровней. Граничные условия атмосферного давления применяются на выпуске сопла независимо от моделируемого коэффициента давления. Тогда достигаются различные коэффициенты давления и массовые расходы путем изменения площади выходного сечения сопла до достижения численной нестабильности.
Предполагается, что коэффициент давления и массовый расход на впуске, которые рассчитаны при достижении точки численной нестабильности, соответствуют реальной точке помпажа компрессора. Экспериментальные испытания подтвердили, что точка помпажа, рассчитанная согласно настоящему изобретению, фактически близка к реальному помпажу компрессора с допустимым пределом погрешности.
В соответствии с возможным вариантом осуществления настоящего изобретения, длина сетки выпуска компрессора равна n-кратной длине выходных направляющих лопаток компрессора. Более конкретно, n может находиться в пределах от 10 до 15. Длина сетки выпуска выбирается так, чтобы поддерживать удобным образом и постепенно снижать давление вниз по потоку от выходных направляющих лопаток до атмосферных уровней.
В соответствии с другим возможным вариантом осуществления настоящего изобретения, длина сетки выпуска компрессора поддерживается постоянной на протяжении этапов способа, в частности, в течение этапа уменьшения размеров концевой площади выходного сечения сопла, если предел численной стабильности еще не достигнут. Предпочтительным образом, это позволяет работать только с одним граничным геометрическим параметром при модификации сетки выпуска компрессора между двумя последовательными выполнениями этапа вычисления.
В соответствии с другим возможным вариантом осуществления настоящего изобретения, сетка выпуска компрессора содержит секцию, в которой выходное давление компрессора определяется для расчета коэффициента давления компрессора.
Выходное давление затем используется для заполнения карты компрессора точками, определенными настоящим способом. При использовании точек на карте компрессора, вычисленных способом согласно настоящему изобретению, запас по помпажу компрессора, при эксплуатации компрессора, может прогнозироваться более точно.
В соответствии с другим возможным вариантом осуществления настоящего изобретения, этап задания граничных условий вычислительной области содержат подэтапы:
- задания атмосферных граничных условий на впуске,
- задания скорости вращающихся поверхностей,
- задания плоскости смешивания на последовательных границах раздела.
Предпочтительным образом, это обеспечивает реалистичную модель CFD компрессора.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Аспекты, определенные выше, и дальнейшие аспекты настоящего изобретения, будут понятны из примеров варианта осуществления, описанного ниже, и поясняются со ссылкой на примеры варианта осуществления. Изобретение будет описано более подробно ниже со ссылкой на примеры варианта осуществления, которые не ограничивают изобретение.
Фиг. 1 показывает продольный разрез газотурбинного двигателя, включающего в себя компрессор, характеристики которого могут прогнозироваться способом согласно настоящему изобретению,
Фиг. 2 показывает модель компрессора согласно фиг. 1,
Фиг. 3 показывает блок-схему последовательности операций способа согласно настоящему изобретению,
Фиг. 4 показывает, на карте компрессора, сравнение между экспериментальными точками и точками, рассчитанными в соответствии со способом согласно настоящему изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Фиг. 1 показывает пример газотурбинного двигателя 10 в разрезе. Газотурбинный двигатель 10 содержит, в последовательности потока, впускное отверстие (впуск) 12 для воздуха, секцию 14 компрессора, секцию 16 камеры сгорания и секцию 18 турбины, которые обычно расположены в последовательности потока и, как правило, вокруг и в направлении продольной оси или оси 20 вращения. Газотурбинный двигатель 10 дополнительно содержит вал 22, который может вращаться вокруг оси 20 вращения и который проходит в продольном направлении через газотурбинный двигатель 10. Вал 22 соединяет с возможностью привода секцию 18 турбины с секцией 14 компрессора.
При работе газотурбинного двигателя 10, воздух 24, который поступает через впускное отверстие 12 для воздуха, сжимается секцией 14 компрессора и подается в секцию 16 горелки секции сгорания. Секция 16 горелки содержит нагнетательную камеру 26 горелки, одну или более камер 28 сгорания и по меньшей мере одну горелку 30, закрепленную в каждой камере 28 сгорания. Камеры 28 сгорания и горелки 30 расположены внутри нагнетательной камеры 26 горелки. Сжатый воздух, проходящий через компрессор 14, входит в диффузор 32 и выпускается из диффузора 32 в нагнетательную камеру 26 горелки, откуда часть воздуха поступает в горелку 30 и смешивается с газообразным или жидким топливом. Затем воздушно-топливная смесь сжигается, и газообразные продукты 34 сгорания или рабочий газ из сгорания направляется через камеру 28 сгорания в секцию 18 турбины через переходный канал 17.
Секция 18 турбины содержит несколько несущих лопасти дисков 36, прикрепленных к валу 22. В настоящем примере, имеется два диска 36, каждый из которых несет кольцевой набор лопастей 38 турбины. Однако количество дисков, несущих лопасти, может быть различным, то есть, только один диск или более двух дисков. Кроме того, направляющие лопатки 40, которые прикреплены к статору 42 газотурбинного двигателя 10, расположены между ступенями кольцевых наборов лопастей 38 турбины. Между выходом камеры 28 сгорания и передними лопастями 38 турбины предусмотрены направляющие лопатки 44 впуска, которые направляют поток рабочего газа на лопасти 38 турбины.
Газообразные продукты сгорания из камеры 28 сгорания входят в секцию 18 турбины и приводят в движение лопасти 38 турбины, которые, в свою очередь, вращают вал 22. Направляющие лопатки 40, 44 служат для оптимизации угла подачи газообразных продуктов сгорания или рабочего газа на лопасти 38 турбины.
Секция 18 турбины приводит в действие секцию 14 компрессора. Секция 14 компрессора содержит осевую последовательность ступеней 46 лопаток статора и ступеней 48 лопастей ротора. Ступени 48 лопастей ротора содержат диск ротора, поддерживающий кольцевой набор лопастей. Секция 14 компрессора также содержит корпус 50, который окружает ступени ротора и поддерживает ступени 48 лопастей. Ступени направляющих лопаток включают в себя кольцевой набор радиально продолжающихся лопаток, которые смонтированы на корпусе 50. Лопатки предусмотрены для обеспечения потока газа под оптимальным углом для лопастей в данной рабочей точке двигателя. Некоторые из ступеней направляющих лопаток имеют переменные лопатки, где угол лопаток, вокруг их собственной продольной оси, может регулироваться для достижения угла в соответствии с рабочими характеристиками воздушного потока, которые могут возникать при различных условиях работы двигателя.
Первая ступень направляющих лопаток, непосредственно выше по потоку от первой в направлении вверх по потоку ступени лопастей ротора, идентифицируется как направляющие лопатки впуска (ʺIGVʺ) 57. Последняя ступень направляющих лопаток, непосредственно ниже по потоку от последней в направлении вниз по потоку ступени лопастей статора и выше по потоку от диффузора 32, обозначена как направляющие лопатки выпуска (ʺEGVʺ) 49.
Корпус 50 определяет радиально наружную поверхность 52 канала 56 впуска компрессора 14. Радиально внутренняя поверхность 54 канала 56 впуска по меньшей мере частично определяется барабаном 53 ротора, который частично определяется кольцевым набором лопастей 48.
Термины ʺвыше по потокуʺ и ʺниже по потокуʺ относятся к направлению воздушного потока и/или потока рабочего газа через двигатель, если не указано иное. Термины ʺвверх по потокуʺ и ʺвниз по потокуʺ относятся к общему потоку газа через двигатель. Термины ʺосевойʺ, ʺрадиальныйʺ и ʺокружнойʺ приводятся со ссылкой на ось 20 вращения двигателя.
На фиг. 2 показан пример модели 210 секции 14 компрессора в соответствии со способом 100 согласно настоящему изобретению.
В общем, согласно настоящему изобретению, любой компрессор может быть смоделирован, например, независимо от того факта, что компрессор может быть связан или не связан с турбиной. Секция 16 горелки и секция 18 турбины фактически не моделируются в соответствии со способом согласно настоящему изобретению, который выполняется для моделирования только рабочих характеристик компрессора и расчета рабочих точек компрессора, которые обычно определяет карту компрессора.
Могут также моделироваться одноступенчатые компрессоры.
Модели компрессора в соответствии с настоящим изобретением учитывают только окружную часть компрессора вокруг его оси вращения. Окружная протяженность модели считается вращательно-периодической.
Многоступенчатая модель 210 создается, в соответствии со способом согласно настоящему изобретению, посредством последовательности этапов, схематично представленных на блок-схеме на фиг. 3.
На первом этапе 110 способа 100 генерируется множество сеток, подходящих для расчета ʺкомпьютерного моделирования динамики текучей средыʺ (CFD) для компрессора 14. Множество сеток включает в себя:
- сетку 220 впуска компрессора, представляющую ступень направляющих лопаток 57 впуска;
- множество сеток 225 ступеней ротора компрессора представляющих, соответственно, множество ступеней 48 лопастей ротора;
- множество сеток 230 ступеней статора компрессора, представляющих, соответственно, множество ступеней 46 лопастей статора;
- сетку 235 выпуска компрессора, представляющую множество выходных направляющих лопаток 49 и, ниже по потоку от них, выходное сопло, продолжающееся до концевой площади 240 выходного сечения сопла.
Сетка 235 выпуска компрессора должна обрабатываться как одиночная сетка, представляющая как выходные направляющие лопатки 49, так и сопло, а не как множество сеток, разделенных искусственными границами раздела.
Сетка 235 выпуска компрессора имеет длину L, которая выбрана как n-кратное значение длины выходных направляющих лопаток 49 компрессора 14, причем n обычно является целым числом в пределах от 10 до 15. Выбрано первое значение площади A1 концевой площади 240 выходного сечения сопла.
Сопло вниз по потоку от выходных направляющих лопаток обеспечивает постепенное сопряжение между давлением выпуска вниз по потоку от выходных направляющих лопаток 49 и условиями атмосферного давления. На втором этапе 120 способа 100, множество сеток 220, 225, 230, 235 компонуются вместе, чтобы получить вычислительную область 250 ʺкомпьютерного моделирования динамики текучей средыʺ.
На третьем этапе 130 способа 100, задаются граничные условия вычислительной области 250. Третий этап 130 способа 100 содержит подэтапы:
- задание атмосферных граничных условий на впуске вычислительной области 250;
- задание скорости вращающихся поверхностей, то есть поверхностей, представляющих ступени 48 лопастей ротора;
- задание плоскостей смешивания, представляющих искусственные границы раздела между сетками 220, 225, 230, 235 вычислительной области 250, для учета переходов потока между неподвижными и вращающимися частями компрессора;
- определение, какие из поверхностей вращательно-периодической модели 210 должны рассматриваться как вращательно-периодические.
После третьего этапа 130, способ 100 содержит цикл 101 этапов, который включает в себя:
- четвертый этап 140 задания условий атмосферного давления на концевой площади 240 выходного сечения сопла,
- пятый этап 150 вычисления, посредством расчета CFD, потока вдоль компрессора 14 для расчета, в частности, скорректированного массового расхода на впуске компрессора и общего коэффициента давления компрессора между значениями давления в предопределенной секции 260 сетки 235 выпуска компрессора и на впуске вычислительной области 250. Предопределенная секция 260 представляет в сетке 235 выпуска компрессора секцию, расположенную непосредственно ниже по потоку от выходных направляющих лопаток 49 в компрессоре 14.
После пятого этапа 150, цикл 101 дополнительно включает в себя шестой этап 160 проверки того, достигнут ли предопределенный предел численной стабильности, и если предел численной стабильности не достигнут, то цикл 101 продолжается со следующими этапами:
- седьмой этап 170 заполнения карты М компрессора точкой, представляющей скорректированный массовый расход на впуске компрессора и общий коэффициент давления компрессора, вычисленный на предыдущем пятом этапе 150;
- восьмой этап 180 уменьшения размеров A1 концевой площади 240 выходного сечения сопла, при сохранении длины L постоянной. В частности, согласно варианту осуществления настоящего изобретения, A1 может уменьшаться с шагом 5%, то есть, например, если начальное значение A1 составляет 20 мм, второе значение составляет 19 мм, третье - 18 мм и так далее;
- девятый этап 190 повторной генерации сетки 235 выпуска компрессора.
После девятого этапа 190, повторяются четвертый этап 140, пятый этап 150 и шестой этап 160.
При каждом выполнении вычисления пятого этапа 150, сетка 235 выпуска компрессора немного отличается от предыдущего выполнения вычисления пятого этапа 150. Это приводит к различным значениям скорректированного массового расхода на впуске компрессора и общего коэффициента давления компрессора и, следовательно, к соответствующим различным точкам на карте M компрессора.
Цикл 101 заканчивается, когда на шестом этапе 160 достигнута численная стабильность. Точка на карте, рассчитанная во время последнего выполнения вычисления пятого этапа 150, считается репрезентативной для соответствующей точки помпажа компрессора.
Результаты, которые могут быть достигнуты с помощью настоящего изобретения, показаны на фиг. 4, где показана карта М компрессора, включающая в себя горизонтальную ось Х для скорректированного массового расхода на впуске компрессора и вертикальную ось Y для общего коэффициента давления компрессора. Для компрессора, вращающегося с заданной скоростью, треугольные метки 102 представляют экспериментальные тестовые данные. Среди множества меток 102, метка 102a, характеризующаяся более высоким общим коэффициентом давления и более низким скорректированным массовым расходом на впуске компрессора, представляет экспериментальную точку помпажа компрессора при заданной скорости вращения.
Для того же самого компрессора, множество точек, рассчитанных способом 100, представлено на карте M прямоугольными метками 103. Кривая 104, соединяющая прямоугольные метки 103, представляет на карте M компрессора кривую скорости при заданной скорости вращения. Другая аналогичная кривая может быть рассчитана с учетом другого значения скорости вращения во время выполнения способа 100, в частности, третьего этапа 130. Среди множества меток 103, метка 103a, характеризуемая более высоким общим коэффициентом давления и более низким скорректированным массовым расходом на впуске компрессора, представляет собой расчетную точку помпажа компрессора при заданной скорости вращения.
Расстояние между экспериментальной и вычисленной точками 102а, 103а помпажа как по значению коэффициента компрессора, так и по значению массового расхода на впуске, обеспечивает удовлетворительное подтверждение данного способа, будучи значительно меньшим, чем аналогичные расстояния, которые могут быть получены другими существующими способами CFD.