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.
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.