Характеристика компрессора является важным инструментом для конструкторов и инженеров, работающих с газотурбинными агрегатами, так как позволяет анализировать и оптимизировать работу компрессора в различных условиях эксплуатации. В этой статье мы расскажем, как можно автоматизировать процесс построения характеристики компрессора с помощью pSeven Enterprise и какие преимущества дает такой подход.
Введение
Напорная характеристика компрессора газотурбинного двигателя представляется в виде двумерного графика, на горизонтальной оси которого откладывается массовый расход, приведенный к стандартным атмосферным условиям (САУ), а на вертикальной — степень повышения полного давления (отношение полного давления на выходе из компрессора к полному давлению на входе в компрессор).
Еще один параметр — адиабатический коэффициент полезного действия (КПД) компрессора — отображается виде зависимости от степени повышения давления на отдельном двумерном графике либо в виде изоповерхностей на напорной характеристике компрессора (пример показан на рис. 1). Кривая, изображающая зависимость степени повышения полного давления от расхода воздуха при постоянной частоте вращения, называется напорной кривой (веткой).
Рис. 1. Пример напорной характеристики компрессора
При работе компрессора в системе двигателя реализуется лишь часть возможных режимов на напорной характеристике в виде отдельных рабочих точек. Линия рабочих режимов представляет собой совокупность точек на характеристике компрессора, соответствующих всем установившимся режимам работы компрессора в системе двигателя.
Граница устойчивой работы — это режимы работы, в которых компрессор не может поддерживать стабильный расход и степень повышения полного давления, а начинает работать в режиме помпажа или срыва. Она отображается на характеристике компрессора в виде линии и представляет собой верхнюю границу рабочего диапазона компрессора. Расчетная граница устойчивой работы может быть определена только приблизительно, поэтому в зависимости от требуемой точности после построения характеристики может потребоваться дополнительное уточнение.
Характеристика компрессора является важным инструментом для конструкторов и инженеров, работающих с газотурбинными агрегатами, так как позволяет анализировать и оптимизировать работу компрессора в различных условиях эксплуатации.
Одним из способов построения характеристики компрессора является проведение серии CFD-расчетов. В этом случае каждая точка характеристики соответствует одному расчету, а точность определения границы устойчивости обеспечивается подбором значений граничных условий в ручном режиме. Очевидно, что такой подход требует большого объема ручной работы инженера-расчетчика. Кроме того, на этапе проектирования может измениться множество параметров: геометрия лопаток, программа регулирования (зависимость угла установки лопаток от частоты вращения ротора компрессора) и т.д. В результате при изменении проектных параметров может потребоваться несколько раз перестраивать характеристику.
Далее мы расскажем, как можно автоматизировать процесс построения характеристики компрессора с помощью pSeven Enterprise и какие преимущества дает такой подход. Используемое CAD и CAE программное обеспечение является лишь примером и может быть заменено любым другим, подходящим для решения этих задач.
Процесс построения напорной характеристики компрессора
Шаги построения характеристики компрессора показаны на рис. 2.
Рис. 2. Процесс построения напорной характеристики компрессора
Построение начинается с создания геометрических моделей лопаток каждой ступени в CAD-системе. Затем эти модели импортируются в существующий проект сеточного генератора для построения новой расчетной сетки. Процесс повторяется для каждой новой ветви, поскольку требуется выставить углы установки лопаток направляющих аппаратов в соответствии с принятой программой регулирования компрессора ана = f(nпр).
После этого проводится серия CFD-расчетов с использованием вновь построенной сетки. Каждая ветвь строится путем изменения значений граничных условий до тех пор, пока решение не станет численно неустойчивым (то есть не будет достигнута граница устойчивости). По завершении этого цикла можно продолжить уточнение границы устойчивости или рассчитать пересечения с линией рабочих режимов.
Процесс построения требует ручной передачи данных между несколькими программами, в связи с чем этот процесс требует постоянного внимания со стороны инженера-расчетчика. Нельзя просто однократно запустить расчет и получить все необходимые результаты по его окончании, по крайней мере без соответствующего средства автоматизации, например такого, как pSeven Enterprise.
Компания DATADVANCE — независимый разработчик программного обеспечения, предоставляющий промышленные программные решения и консалтинговые услуги в области автоматизации инженерных расчетов, оптимизации и предиктивного моделирования (www.datadvance.ru). |
Что такое pSeven Enterprise
pSeven Enterprise — это облачная low-code платформа для автоматизации инженерных расчетов и развертывания Цифровых двойников в масштабах всего предприятия, разработанная компанией DATADVANCE.
Ключевые особенности платформы:
- развертывание на локальном сервере, в корпоративном или частном облаке;
- доступ через браузер ко всему функционалу для автоматизации инженерных расчетов, оптимизации и анализу данных;
- совместная работа над проектами с коллегами и партнерами в режиме реального времени;
- масштабирование ресурсоемких расчетных процессов;
- создание и возможность делиться веб-приложениями на основе расчетных схем;
- расширение функционала и интеграция благодаря открытому API.
Автоматизация процесса в pSeven Enterprise
В pSeven Enterprise процесс построения характеристики компрессора может быть представлен в виде расчетной схемы (рис. 3).
Рис. 3. Расчетная схема построения напорной характеристики компрессора
Расчетная схема состоит из трех основных блоков:
- Блок Main driver управляет циклом расчета ветвей и пересечений.
- Композитный блок Single branch рассчитывает одну ветвь характеристики компрессора (для одной скорости вращения).
- Композитный блок Single point рассчитывает пересечение линии оптимальных режимов с одной ветвью характеристики компрессора.
Вложенная структура композитного блока Single branch показана на рис. 4.
Рис. 4. Структура композитного блока Single branch
Блок File parsing на рис. 4 считывает программу регулирования и информацию о количестве лопаток в каждой ступени, после чего блок geomTurbo generator запускает цикл создания входных файлов для сеточного генератора на основе текстовых файлов профиля лопаток в NX.
Блок cgns generator отвечает за построение сетки проточной части компрессора в Numeca. Блок Condition проверяет необходимость расчета ветви: он либо вызывает выполнение блока Exit для выхода из итерации, либо запускает цикл построения ветви с уточнением границы устойчивости.
Вложенная структура композитного блока Single point показана на рис. 5.
Рис. 5. Структура композитного блока Single point
Блок File management на рис. 5 копирует файлы для Ansys CFX в заданной точке для поиска требуемого начального приближения, а затем блоки CFX Pre 1 и CCL modification считывают информацию о структуре проекта шаблона Ansys CFX и обновляют его с учетом новых граничных условий и скорости вращения.
Блок CFX Pre 2 формирует входной файл для решателя с обновленной сеткой, граничными условиями и скоростью вращения. Блок CFX Solver запускает расчет. Если расчет прошел успешно, то найденные значения добавляются в ветвь блоками CFX Mondata и Parse CSV. Если возникла численная неустойчивость, то блок Return NaN отправляет сообщение о достижении границы устойчивости.
Построение расчетной схемы в pSeven Enterprise стало более легким за счет использования специальных блоков (рис. 6). Такие блоки, обеспечивающие бесшовное соединение с инженерными приложениями (NX, Numeca, Ansys CFX), могут быть разработаны для любого типа программного обеспечения, поддерживающего пакетное выполнение (batch-режим).
Рис. 6. Список используемых в расчетной схеме блоков
ПАО «ОДК-Сатурн» — двигателестроительная компания, специализирующаяся на разработке, производстве, послепродажном обслуживании газотурбинных двигателей (ГТД) для авиации, энергогенерирующих и газоперекачивающих установок, судов, морских и приморских промышленных объектов. ПАО «ОДК-Сатурн» (www.uec-saturn.ru) входит в состав АО «Объединенная двигателестроительная корпорация» (ОДК). |
Перед запуском расчетной схемы все файлы, необходимые для построения характеристики компрессора, должны быть размещены в папке Files на панели Explorer в соответствии с заранее оговоренными правилами. После успешного завершения расчетной схемы все вновь созданные файлы можно найти в этой же панели (показано на рис. 7).
Рис. 7. Управление файлами расчетной схемы
Выводы
Основные преимущества, которые обеспечивает pSeven Enterprise, — повышение эффективности и экономия времени. Это достигается за счет автоматизации повторяющихся ручных операций, таких как создание геометрических моделей, построение сеток, обработка результатов и обмен данными между различными программами. Такой подход может быть применен к широкому кругу задач, которые могут быть стандартизованы и требуют частого повторного решения.
Рис. 8. Пример веб-приложения с кастомизированным интерфейсом в pSeven Enterprise
Следующий уровень автоматизации может быть достигнут путем создания для расчетной схемы пользовательского интерфейса. Это может быть как стандартный интерфейс, создаваемый в pSeven Enterprise автоматически, так и кастомизированный под конкретные нужды. Пример кастомизированного пользовательского интерфейса приведен на рис. 8. С пользовательским интерфейсом расчетная схема может применяться в виде самостоятельного веб-приложения из AppsHub — специальной галереи приложений в pSeven Enterprise. Такой подход дает возможность построить напорную характеристику компрессора рядовому пользователю, не знакомому со всеми тонкостями, за счет упрощения процесса предоставления входных данных и настройки задачи. Однако следует отметить, что разработка кастомизированного интерфейса, конечно, потребует определенных навыков фронтенд-программирования.
