Михаил Плыкин, ЗАО «ЕМТ Р»

Среди промышленного оборудования значительную часть занимают различ­ные лопаточные машины: газовые комп­рессоры и турбины, жидкостные и пульповые насосы. Различают три основных типа лопаточных машин: осевой, ради­альный и диагональный. Лопаточная машина обычно состоит из нескольких функциональных узлов: ста­тора, ротора и корпуса. Лопатки ротора могут иметь как консольную конструк­цию, так и различные варианты закрытой конструкции. Эффективность работы ло­паточной машины, ее основные парамет­ры сильно влияют на эффективность ра­боты всей установки.

Традиционно в программный комплекс ANSYS CFX входят специализированные модули для проектирования лопаточных машин различ­ных типов. В данный момент эта линейка состоит из следующих продуктов: BladeModeler — модуль для создания геометрии, TurboGrid — модуль для создания гексаэдрической сетки и ANSYS CFX Turbo PrePost — спе­циальный режим работы пре- и постпроцес­сора CFX.

Создание геометрии в BladeModeler

BladeModeler (BM) позволяет профилировать геометрию лопаточной машины и получать на выходе параметризованную модель. Для этого в BM есть набор исходных шаблонов геометрии. Примеры шаблонов показаны на рис. 1-3.

В этой панели задаются основные точки для построения меридионального сечения лопа­точной машины. Осью вращения по умолчанию является ось Z.

В зависимости от типа машины и исходных данных по профилированию толщины лопаток используются два основных метода: Ang/Thk (угол/толщина) и Prs/Sct (спинка/корытце). В первом из них задается изменение толщины по длине хорды и закрутка лопатки относительно оси вращения (рис. 4), а во втором — основные лопаточные углы, а профиль определяется зада­нием сплайна (рис. 5).

Здесь же указывается количество лопаток и количество сечений по высоте лопатки для построения объемной модели и для дальнейше­го экспорта. После подтверждения задания ис­ходной геометрии BM генерирует исходный вид лопаточной машины.

Рабочее окно проекта

Рис. 6. Рабочее окно проекта

Рабочая область состоит из нескольких окон: в верхнем левом углу показывается ме­ридиональная проекция, справа вверху — вне­шний вид машины, внизу расположены графи­ки изменения установочных углов и толщины лопаток в текущем сечении (рис. 6). Для изме­нения геометрических характеристик можно пользоваться непосредственно сплайнами на графиках (рис. 7).

Также можно редактировать координаты точек (узлов) сплайна. Для этого необходи­мо навести курсор мыши на точку и дважды щелкнуть по ней. При необходимости в кон­текстном меню можно изменить тип сплайна (рис. 8).

В случае задания профилирования методом Ang/Thk в нижних окнах выводятся лопаточный угол и толщина по длине хорды. Если использу­ется метод Prs/Sct, то в нижнем окне показыва­ется профиль в текущем сечении (рис. 9).

Образующие профиля также редактируют­ся изменением положения опорных точек сплай­нов или изменением углов. Для переключения активного сечения применяется контекстное меню на окне с общим видом модели.

После редактирования модели и создания требуемой геометрии выполняется экспорт дан­ных в формат передачи геометрии для сеточно­го генератора.

Экспорт данных возможен как в форматы сеточных генераторов TurboGrid и ICEM CFD, так и в стандартные форматы CAD-систем (IGES, DXF и др.) — рис. 10.

При экспорте в формат TurboGrid создает­ся несколько файлов, содержащих информацию по профилю и меридиональным обводам. Далее эти файлы импортируются в TurboGrid.

Создание сетки в TurboGrid

Импорт данных из BladeModeler осуществляет­ся через меню Load Curves (рис. 11). Необхо­димо указать файлы с расширением *.curve для трех типов: hub — втулка, shroud — периферия и blade — лопатка. Затем нужно задать общее количество лопаток и тип обработки входных и выходных кромок: радиусное скругление, ноже­вая кромка или торцевание.

После этого TurboGrid генерирует поверх­ности для создания сеточной топологии.

Рабочая область TurboGrid включает окно с моделью и деревом проекта (рис. 12).

Для создания сетки нужно выбрать топо­логию структуры в меню Topology set и ука­зать необходимое количество узлов в сетке в Mesh Data. Там же настраиваются параметры «О»-сетки в пристеночной области. После под­тверждения создается сеточная структура, в которую можно вносить изменения, перемещая узлы топологии (рис. 13).

Генерация сетки производится в меню Create -> Mesh. Для созданной сетки необходи­мо выполнить операцию анализа качества Mesh analysis (рис. 14).

Расчетная сетка не должна содержать от­рицательных объемов. В случае их наличия вы­водится предупреждение сразу после создания сетки. Все остальные критерии определяются пользователем. Иногда элементы в пристенных областях выходят за пределы диапазона критери­ев при анализе качества. Следует помнить, что к данным элементам такой подход не применяется.

В случае необходимости можно изменить не только общий размер сетки, но и количест­во элементов по отдельным направлениям. Для некоторых случаев может потребоваться созда­ние дополнительных входных и выходных зон. Это можно сделать через меню Mesh topology, включив опции Inlet domain и Outlet domain.

Экспорт полученной сетки осуществляется через меню File -> Save Mesh. Кроме имени фай­ла, необходимо указать размерность единиц сетки (рис. 15).

Расчетная сетка импортируется в ANSYS CFX через формат файла *.gtm.