Особенности проектирования КС с применением многоуровневого моделирования процессов

В настоящее время с появлением компьютерного моделирования различных физических процессов, в том числе и в камерах сгорания появляется возможность существенного сокращения проектировочных

работ, как на стадии определения термодинамических характеристик так и при конструктивном оформлении камеры сгорания. Поэтому является целесообразным рассмотрение взаимодействия отдельных элементов проектирования с использованием многуровневого моделирования при создании и доводке камер сгорания. Следует отметить, что наряду с существующими в мировой практике различными моделями каждая проектная организация использует свои, наиболее приспособленные к данным условиям программы, позволяющие более оперативно работать при проектировании узлов ГТД, в том числе и камер сгорания.

. С целью создания системы автоматизированной доводки камер сгорания газотурбинных двигателей, получения и анализа характеристик процессов, протекающих в них, на кафедре авиационных двигателей и энергоустановок Казанского государственного технического университета имени А.Н. Туполева была разработана программа «Камера» сертификат№…

Программа позволяет анализировать характеристики камеры сгорания, в том числе и эмиссионные выбросы (NOx и СО), также влияние распределения воздуха по тракту жаровой трубы на характеристики горения, влияние входных параметров, таких как температура, полное давление, скорость на входе в КС, расходы топлива и воздуха.

Анализ работы камеры сгорания удобно проводить, исследуя зависимости, (эмиссия NOx, CO, полноты сгорания η, температура продуктов сгорания в зависимости от коэффициента избытка воздуха в камере αк, и др.) Зависимости строятся при различных режимных и конструктивных параметрах на входе.

Перед построением графиков задаются T*_к и Р*_к, расходы воздуха и топлива, тип и свойства топлива_; задаются геометрия камеры сгорания, распределение площадей отверстий в жаровой трубе, количество и характеристики форсунок, характеристики завихрителей и т.д. Важнейшим фактором, влияющим на процессы в камере, является количество и расположение поясов подвода воздуха, а также распределение подводимого воздуха по поясам.

Также программа отображает графики полноты сгорания, температуры, коэффициента избытка воздуха и другие параметры, изменяющиеся вдоль тракта жаровой трубы. Для лучшего понимания внутрикамерных процессов представляется также облик исследуемой камеры сгорания и цветовая карта распределения температур газового потока в жаровой трубе.

Рассмотрим схему этапов проектирования камер сгорания на основе моделей различного уровня сложности.

	Экспериментальная идентификация проводится идентификация по известным в литературе экспериментальным данным и данными испытаний прототипов
	«термо-газодинамическое проектирование» Выполняется в пакете прикладных программ Fluent, определяются картины течения и распределения температур, давлений и концентраций продуктов сгорания и их оптимизация.

Рис.7 3. Схема проектирования камеры сгорания

На рис 7.3 изображена схема, в которой показана роль многоуровневого моделирования в процессе проектирования камеры сгорания. Видно, что уже на стадии формирования облика камеры сгорания требуется использование моделей, в дальнейшем это позволяет оперативно получить интегральные характеристики: зависимости полноты сгорания, устойчивости горения эмиссии токсичных веществ от режима работы КС. Это существенно облегчает дальнейшую оптимизацию отдельных ее узлов: диффузора фронтового устройства, жаровой трубы, распределения воздуха

В программу одномерного моделирования заносятся исходные данные, полученные при расчете двигателя, на основе которых формируется облик КС. Результаты моделирования сравниваются с известными экспериментальными данными, на основе которых подбираются уточняющие коэффициенты модели с целью идентификации с экспериментом.

Далее для данных требований в одномерную модель заносятся исходные данные (расходы воздуха и топлива, температура, скорость и т.д).

Для создания геометрии камеры сгорания в программе «камера» требуется определить основные размеры КС в проектировочном расчете. Также для создания геометрии КС потребуется выбранный объем жаровой трубы.

После того, как одномерная модель была создана, требуется оптимально распределить подачу воздуха в жаровую трубу. Распределение воздуха выполняется с целью достижения удовлетворительных эмиссионных характеристик, и достижения требуемой полноты сгорания.

Далее на основе полученной одномерной модели КС с распределенным воздухом создается 3D модель камеры сгорания, которая используется в качестве исходных данных для проведения газодинамического и прочностного анализа созданной конструкции.

Одной из самых популярных программ для газодинамического исследования является пакет прикладных программ Fluent. Пакет предназначен для моделирования сложных течений жидкостей и газов с широким диапазоном свойств. Посредством обеспечения различных параметров моделирования и использования многосеточных методов с улучшенной сходимостью, Он обеспечивает оптимальную эффективность и точность решения для широкого диапазона моделируемых скоростных режимов. Изобилие физических моделей в пакете FLUENT позволяет точно предсказывать ламинарные и турбулентные течения, различные режимы тепло-массопереноса, химические реакции, многофазные потоки и другие феномены на основе гибкости сеток и их адаптации к получаемому решению. Для достижения необходимой точности расчетов, исследуемую область требуется разбивать на огромное число конечных трехмерных элементов, в результате чего процесс расчета может длиться от нескольких часов до нескольких дней. По этой причине расчет нескольких вариантов конструктивных решений в пакете Fluent может оказаться затруднительным либо неприемлемым вследствие требований по срокам исполнения.

Предлагаемая схема проектирования КС позволяет сократить время на разработку КС путем сокращения количества просчитываемых вариантов конструкции в пакете Fluent.

При проектировке любого изделия существуют две основные схемы внесения изменений в изделие и работы над ним: последовательная и параллельная.

Рис7.4. Последовательная схема разработки изделий

Гораздо более эффективной схемой разработки является использование технологии параллельной разработки, которая подразумевает одновременную работу над различными частями одного общего изделия коллективом разработчиков.

Данная технология наиболее успешно реализована в концепции мастер-модели (мастер-геометрии) (рис.7.5).

Концепция мастер-модели позволяет отделить «вторичные» данные, такие как чертежная информация, информация прочностного анализа, программы для станков с ЧПУ и т.д, от основной геометрии изделия. [5]

	Тех.Условия исходные данные

Рис.7 5. Параллельная схема разработки изделий

Очевидно, что представленная на рис7.5 схема является общей для всех типов изделий. В соответствии со схемой на рис.7 3 и применительно только к камере сгорания ГТД предлагается следующая параллельная схема разработки камеры сгорания. Здесь предусмотрена возможность использования результатов расчета характеристик КС в одномерном моделировании с целью оперативной оптимизации конструктивного облика и последующего уточнения элементов конструкции.

	1D геометрия

Рис.7 6. Параллельная схема разработки изделий с использованием многоуровневого моделирования.

В данной схеме проектирования предлагается проведение проектирования камеры сгорания на основе многоуровневого моделирования, что предусматривает возможность оперативной корректировки конструктивных элементов камеры сгорания с помощью одномерной модели, проверки соответствия характеристик обновленного облика КС требованиям ТУ затем уточняющий расчет с помощью двухмерных и трехмерных пакетов. Такой подход позволить применить многовариантность расчетов при определении оптимальной конструкции камеры сгорания в соответствии с назначением.

Начальным этапом конструирования является определение первоначального облика КС, в качестве которого может быть принят один из прототипов из числа существующих конструкций или же приближенный облик камеры сгорания, найденный на основе газодинамического расчета проточной части и безразмерных соотношений геометрических параметров. полученных из статистических данных.