5 - 2005

Применение продуктов ANSYS и LMS при проектировании газотурбинных двигателей

С.А.Бутяга, И.Е.Плыкин, А.Н.Чернов

Использование продуктов ANSYS при проектировании газотурбинного двигателя

ANSYS Workbench — интегрирующая среда проекта

Двигатели: вопрос шума, или LMS Aero-Acoustics

Важность технической поддержки

В настоящее время для большинства отраслей промышленности, связанных с разработкой и проектированием новых устройств, характерна ситуация, предусматривающая создание нового изделия и вывод его на рынок в кратчайшие сроки. Чем раньше удается вывести на потребительский рынок продукт, тем больше получаемая прибыль и тем выше шансы занять лидирующие позиции в отрасли.

Безусловно, уменьшение сроков проектирования не должно отражаться на качестве и эффективности изделий. До недавнего времени основным методом проверки правильности расчетов были обширные экспериментальные исследования, однако при всех своих достоинствах они требуют больших материальных и временн ы х затрат.

В настоящее время в проектировании все более широкое применение находят технологии CAE, позволяющие в кратчайшие сроки спроектировать любое изделие — будь то электрочайник или самолет и газотурбинный двигатель.

Одним из лидеров в области современных CAE-технологий является компания ANSYS, представляющая программный комплекс в виде набора расчетных модулей для решения различных задач — от статической и нелинейной прочности до гидрогазодинамики и электромагнетизма. Для взаимодействия между этими расчетными модулями используется как стандартная среда ANSYS, так и новейшая интегрирующая среда расчетов ANSYS Workbench.

Рассмотрим возможности продуктов ANSYS на примере проектирования высокотехнологичного газотурбинного двигателя.

Использование продуктов ANSYS при проектировании газотурбинного двигателя

Современный газотурбинный двигатель должен обладать высокими параметрами энерговооруженности, эффективности и экологичности. Узлы двигателя испытывают огромные нагрузки от давления и температуры, и создание надежно работающих двигателей не представляется возможным без применения современных методов расчета.

Использование пакета ANSYS CFX для расчета течений в проточной части 15-ступенчатого компрессора позволило оптимизировать потери и добиться большей эффективности лопаточной машины.

Для проведения прочностного анализа лопаток нагрузки от газовых сил передаются в ANSYS Mechanical, там же к расчетной модели прилагаются центробежные нагрузки. На основе анализа полученных результатов можно провести оптимизацию параметров, например уточнение величины галтели.

Осевой 15-ступенчатый компрессор

Осевой 15-ступенчатый компрессор

Расчетная модель

Расчетная модель

Результаты расчета течения

Результаты расчета течения

Расчет процессов в камере сгорания с помощью пакета ANSYS CFX позволяет достичь лучших показателей равномерности температурного поля на выходе, что существенно влияет на ресурс двигателя. Анализ температурного воздействия потока на узлы конструкции дает возможность точнее определить потенциально проблемные места и заранее принять меры по обеспечению их надежности.

Напряжения в компрессорной лопатке

Деформированное состояние компрессорной лопатки

Одним из наиболее нагруженных узлов в двигателе является турбина. Первые ступени турбины испытывают огромное напряжение от совместного действия центробежных нагрузок и тепловых потоков горячего газа, вышедшего из камеры сгорания. Создание эффективно работающей турбины невозможно без корректного определения всех нагрузок, действующих на ее узлы. Учитывая огромную температуру газа (до 2000 К) и высокое давление (до 4 МПа), проведение экспериментальных исследований становится крайне сложным и дорогостоящим.

Программный комплекс ANSYS позволяет рассчитать и проанализировать конструкцию еще до ее изготовления, сократив тем самым процесс ее доводки в реальных условиях.

Одним из важнейших аспектов функционирования турбины является обеспечение необходимого уровня охлаждения деталей турбины для сохранения прочностных свойств материалов. Расчет охлаждаемых узлов, таких как рабочие и сопловые лопатки, требует особенно аккуратного и точного анализа. Современная охлаждаемая лопатка представляет собой сложно взаимосвязанную систему каналов, часто применяются несколько методов интенсификации теплообмена. При этом конструкция рабочих охлаждаемых лопаток, дополнительно к термическим напряжениям и газовым силам, подвергается воздействию центробежных нагрузок. Все эти факторы можно учесть при расчете с помощью программного комплекса ANSYS. Расчет течения с теплообменом в межлопаточном канале и в системе охлаждения проводится в пакете ANSYS CFX, затем полученные данные по температуре и давлению передаются в ANSYS Mechanical, где оцениваются напряжения в конструкции. Такая схема анализа позволяет на этапе проектирования системы охлаждения довести ее эффективность до требуемой в любом месте пера лопатки посредством оптимизации распределения охлаждающей среды по системе. Далее на оптимизированной конструкции с учетом распределения температур проводится анализ напряженно-деформированного состояния.

Модель камеры сгорания в CAD-системе

Модель камеры сгорания в CAD-системе

Результаты расчета: температура

Результаты расчета: температура

Результаты расчета: линии тока, окрашенные температурой

Результаты расчета: линии тока, окрашенные температурой

В подобных малоразмерных элементах конструкции применение современных расчетных технологий ANSYS поистине бесценно. Экспериментальные исследования крайне затруднены не только из-за высоких температуры и давления, но и из-за вращения деталей во время работы и их небольших размеров, что усложняет размещение тензо- и термометрирующей аппаратуры, однако численное моделирование позволяет без проблем анализировать работу изделия в самых труднодоступных местах.

Для определения ресурса ротора турбины большое значение также имеет определение температурного состояния для последующего прочностного анализа.

Возможности программного комплекса ANSYS позволяют рассчитать как отдельную деталь, так и сборку деталей. В зоне контактов деталей можно учесть не только эффекты нелинейной деформации, но и термическое сопротивление контакта. Все это позволяет говорить о корректном анализе состояния конструкции.

Расчет течения в системе охлаждения

Расчет течения в системе охлаждения

Расчет температурного состояния лопатки

Расчет температурного состояния лопатки

Важную роль в двигателе играют силовые элементы, корпуса, силовые стойки. Возможности продуктов ANSYS позволяют проводить прочностной анализ с учетом воздействия температурных потоков, радиационного теплообмена, контактных сопротивлений, упругих и пластических деформаций.

В стационарных энергетических установках эффективность во многом зависит от конструкции выхлопного патрубка. Уменьшение гидравлических потерь напрямую связано с увеличением мощности и кпд установки. При наличии на выходе установки теплообменника утилизирующего контура равномерное распределение скоростей обеспечит заданные параметры теплообмена и соответственно эффективность утилизирующего контура.

Программный комплекс ANSYS обеспечивает более точный и быстрый анализ конструкции любой сложности. Наличие в нем интегрирующей среды проекта ANSYS Workbench позволяет встроить систему ANSYS в систему Product Development Management (PDM), благодаря чему достигается еще более эффективный и структурированный подход к организации процесса проектирования.

Температурное состояние силовой стойки турбины

Температурное состояние силовой стойки турбины

Расчет течения в выхлопном патрубке стационарной ГТУ

Расчет течения в выхлопном патрубке стационарной ГТУ

В начало В начало

ANSYS Workbench — интегрирующая среда проекта

Проведение инженерного анализа любого типа ставит перед инженерами множество вопросов: использовать ли геометрическую модель, созданную в CAD-системе; а если использовать, то как подготовить ее для преобразования в КЭ-модель; какими средствами препроцессинга следует воспользоваться для этого (для разных типов анализа имеются свои подходы к построению сетки КЭ) и т.д.

В результате инженерный анализ приводит к многократной передаче данных из одного программного приложения в другие, и отследить всю цепочку этих действий весьма сложно.

Программная платформа ANSYS Workbench позволяет осуществлять процесс сложного инженерного расчета (включающего разные типы расчетов: прочностной, тепловой, гидрогазодинамический, частотный, электромагнитный и др.) в едином информационном пространстве проекта.

Рассмотрим процесс работы в среде проекта Workbench на простом примере — это проведение инженерного анализа для геометрической модели, построенной в CAD-системе Unigraphics (здесь следует иметь в виду, что геометрическая модель может быть построена и в одной из других известных CAD-систем (CATIA v5 R14, Pro/E Wildfire 2 и т.д.)).

Прежде всего нужно отметить, что геометрическая модель, по которой будет выпущена конструкторская и технологическая документация, несет в себе как избыточную, так и значительно осложняющую процесс создания расчетной КЭ-модели информацию. Поэтому в первую очередь в проекте Workbench следует указать, какая исходная геометрическая модель будет использоваться. Для этого достаточно в соответствующих разделах стартовой страницы проекта отметить, что модель берется из активной в данный момент CAD-системы, либо указать файл на жестком диске. И тогда инженер, открыв проект, будет точно знать, какая геометрическая модель была исходной и где она находилась на жестком диске.

Далее при выделении этой геометрической модели в окне проекта в контекстном меню слева появятся всевозможные варианты работы с нею: сразу передать в расчетный модуль DesignSimulation и генерировать сетку КЭ его средствами, передать в геометрический препроцессор DesignModeler для корректирования и внесения изменений в геометрию, передать в препроцессор Advanced Meshing (функциональные возможности ANSYS ICEM CFD и AI*Environment), создать сетку для гидрогазодинамического расчета в модуле CFX-Mesh.

При всем разнообразии вариантов ни один из них не исключает применения других вариантов для этой исходной геометрической модели.

Возможность работы в едином информационном пространстве проекта с мгновенной загрузкой нужного приложения и отслеживанием местонахождения всех сопутствующих файлов на жестком диске обеспечивает доступ ко всем параметрам по передаче данных. Таким образом, инженер может решать, что делать с исходной геометрией; при этом выбор одного из вариантов не исключает применения остальных.

В начало В начало

Двигатели: вопрос шума, или LMS Aero-Acoustics

На 6-й конференции а виационного комитета по защите окружающей среды (CAEP), прошедшей в Монреале в феврале 2004 года, был отмечен возросший уровень требований к авиационным двигателям в Европе по уровню шума и эмиссии газов. Был принят и документ № 9829, установивший новые нормы шума. Как и следовало ожидать, все европейские нормы и правила обусловлены в первую очередь необходимостью расширения присутствия авиакомпаний на европейском рынке авиаперевозок. На этом рынке, помимо других факторов, сказалось и снижение объема авиаперевозок после трагических событий в США в сентябре 2001 года, в результате чего даже таким гигантам, как Boeing и Airbus, пришлось сократить объемы производства до 40%. Сейчас объемы авиаперевозок обязательно должны возрасти до своего прошлого уровня и превысить его для покрытия затрат, однако и отношение к экологии на Западе за это время существенно изменилось.

Следует отметить, что в разных странах требования к уровню шума различаются, и связано это прежде всего с их географическим положением и степенью изношенности самолетов. В Северной Америке, к примеру, в ближайшее время ужесточения требований к уровню авиационного шума не ожидается, тогда как в Европе такие нормы пересматриваются каждые год-два. Это следует принимать во внимание, несмотря на то, что американские и европейские нормы по шуму довольно близки друг к другу. Европейцам более выгодно ужесточение этих норм, так как их авиационный флот является более молодым по сравнению с американским. Кроме конкуренции на рынке, на нормы по эмиссии и шуму влияет также расширение маршрутной сетки и, как следствие, более строгие нормы по экологии и защите населения, проживающего неподалеку от аэропортов. Здесь в качестве примера можно назвать Азиатско-Тихоокеанский регион.

Таким образом, обеспечение определенного уровня шума двигателей, не являющее в прошлом проблемой для отечественных разработчиков авиадвигателей, неожиданно стало актуальной задачей. Разумеется, если мы хотим занять место на мировом и отечественном рынках авиаперевозок. Последний, кстати, становится все более привлекательным и для западных компаний — не в последнюю очередь из-за географического положения нашей страны и труднодоступности некоторых ее регионов. Кроме того, хотя многие боятся совершать авиаполеты, этот способ перевозки является самым безопасным и быстрым в наше время. Для того чтобы убедиться в этом, достаточно сравнить статистику по катастрофам наземного и авиационного транспорта, а также время, затраченное в том и другом случае на дорогу.

Если отечественные производители авиадвигателей и планеров намерены принять участие в конкурентной борьбе, то встает извечный вопрос — что делать? В существующих условиях, безусловно, можно потратить время на разработки собственных программных кодов и доводку старых отечественных методик. Но можно пойти и по пути прогресса — изучить существующие на рынке CAE конечно- и гранично-элементные комплексы, предназначенные для расчета шумовых (акустических) параметров. В пользу второго пути говорит и такой аргумент, что к тому времени, когда отечественные методики наконец-то сравняются по технологичности с западными, может оказаться, что они безнадежно устарели и снова требуют доработки и доводки и т.д.

Анализ рынка программных средств показывает, что фирм, предлагающих программные продукты высшего класса для расчета шума (по технологичности и объему применения), — единицы. Уникальной в этом плане является бельгийская компания LMS (Leuven Measurement Systems), поставляющая ПО и оборудование для расчета акустики уже более 25 лет. Основным ее продуктом для анализа уровня шума до недавнего времени был LMS SYSNOISE. В последние два года намечается устойчивая тенденция к переводу всех его возможностей на более технологичную версию LMS Virtual.Lab. Однако модуль для анализа шума Aero-Acoustics до сих пор находится в комплекте именно LMS SYSNOISE, поэтому далее речь будет идти об аэроакустике именно в контексте LMS SYSNOISE Aero-Acoustics.

С точки зрения физики модуль Aero-Acoustics основан:

• на вычислении уровня шума от исходящих газов (jet-noise) — приближение Джеймса Лайтхилла;

• на вычислении уровня шума от вращающихся структур (noise from a rotor) — приближения Фокса — Вильямса — Керля.

Импорт-экспорт расчетных моделей, в том числе данных по вычислительной гидрогазодинамике, может осуществляться при этом из ANSYS и ANSYS CFX. Полный список импортируемых форматов моделей и данных по гидрогазодинамике, разумеется, этим не исчерпывается — его можно просмотреть на сайте EMT. В дальнейшем список импортируемых моделей будет расширен в связи с наметившийся миграцией SYSNOISE в Virtual.Lab.

Область применения Aero-Acoustic не ограничивается авиацией — этот модуль с успехом используется также в автомобильной промышленности и в области энергетики производителями перекачивающего оборудования. Много клиентов у фирмы LMS и среди производителей вооружения. Проблема шумности агрегатов не является прерогативой производителей авиационной техники — в последние 10-15 лет в мире намечается серьезный интерес к малошумной технике. Любой производитель, желающий создать конкурентоспособный продукт, должен опираться на опыт прошлых разработок и стремиться минимизировать цикл проектирования — превратить экспериментальную базу производящую в базу подтверждающую, так как испытания стоят очень дорого.

В заключение хотелось бы привести список клиентов LMS, с успехом применяющих ее технологии в области авиации: Aerodyne, Aerospatiale-Matra, Agusta, Alcatel, Alenia, Allied Signal, BMW-Rolls Royce, Boeing, Bombardier, British Aerospace, CASA, Cessna, Aircraft, Cira, DASA, DLR, Dornier, Embraer, ESA-Estec, Estec, Eurocopter, Ford Aerospace, Gulfstream, Harris Corporation, Hughes Aircraft, IABG, Kruchinev, Lockheed Martin, Loral, Mitsubishi, NASA, NASDA, Northrop, Orbital Sciences Corp, Pratt & Whitney, Raytheon, Rockwell, Rocketdyne, Samsung, Sikorsky, Snecma, TRW, TSAGI, Westland Helicopter.

В начало В начало

Важность технической поддержки

Использование при проектировании современных высокотехнологичных устройств и программных комплексов ANSYS и LMS обеспечивает высокую степень надежности и качества продукции, а следовательно, ее высокую конкурентоспособность.

Немаловажную роль в процессе освоения и внедрения новых технологий играют техническая поддержка и консалтинг. Наши сотрудники, являющиеся специалистами по авиационной и двигателестроительной промышленности, имеют обширный опыт применения и внедрения различных продуктов ANSYS как на множестве предприятий машиностроительной отрасли, так и на специализированных предприятиях, проектирующих и выпускающих газотурбинные двигатели различного назначения, в том числе и зарубежных. Мы знаем, что именно препятствует внедрению подобных технологий на отечественных предприятиях — мы уже прошли этот путь и поможем вам преодолеть все сложности.

В начало В начало

«САПР и графика» 5'2005