The paper presents a technique for optimization of an axial compressor using modern software. Optimization is performed using the proprietary software for parametric change of blades and commercial CFD solver NUMFCA Fine / Turbo

Goriachkin, G.S.

Matveev, V.N.

Popov, G.M.

Горячкин, Г.С.

Матвеев, В.Н.

Попов, Г.М.

Russian

Samara University

263 УДК 621.452.3 МЕТОДИКА МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ ФОРМЫ ЛОПАТОК ОСЕВЫХ КОМПРЕССОРОВ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ © 2018 В.Н. Матвеев, Г.М. Попов, Е.С. Горячкин  Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва  METHOD OF MULTI-CRITERIAL OPTIMIZATION OF THE BLADE SHAPES OF AXIAL COMPRESSORS OF GAS TURBINE ENGINES Matveev V.N., Popov G.M., Goriachkin E.S. (Samara National Research University,  Samara, Russian Federation) The paper presents a technique for optimization of an axial compressor using modern software. Optimization is performed using the proprietary software for parametric change of blades and commercial CFD solver NUMECA Fine/ Turbo.  В настоящее время одним из наиболее перспективных способов совершенствования методов проектирования осевых компрессо-ров газотурбинных двигателей является ис-пользование программ математической оп-тимизации в связке с программными ком-плексами вычислительной газовой динамики (CFD программными комплексами). Приме-нение подобного подхода позволяет за ко-роткий период в полностью автоматизиро-ванном режиме выполнить анализ множества вариантов проектируемого узла и получить оптимальную конструкцию. В работе представлена разработанная методика оптимизации многоступенчатого осевого компрессора, основанная на совме-стном использовании программы оптимиза-тора IOSO, CFD программного комплекса NUMECA Fine/Turbo, а также программы собственной разработки для параметриче-ского изменения 3D моделей лопаток Profiler. Алгоритм разработанной методики за-ключается в следующем. Сначала програм-мой оптимизации IOSO формируется вектор варьируемых параметров, который представ-ляет собой набор переменных, описывающих 3D геометрию лопатки в параметрическом виде. На основе данного вектора в програм-ме Profiler формируются 3D модели лопаток компрессора, которые затем передаются в программу-сеткогенератор NUMECA Fine/Turbo, где автоматически выполняется генерация сетки конечных элементов и вы-полняется расчёт параметров работы ком-прессора. На основе рассчитанных парамет-ров работы формируется вектор выходных параметров, который возвращается обратно в IOSO для анализа результатов и генерирова-ния нового вектора варьируемых парамет-ров. Данный цикл повторяется до достиже-ния требуемого результата. Параметрические модели лопаток соз-давались с использованием программы Profi-ler, основные возможности которой: – создание файла с геометрией лопатки в формате, совместимом с современными CAD и CAE программными комплексами; – создание параметрической модели лопатки на основе табличного представления её геометрии; – параметрическое изменение формы средней линии лопатки, углов входа и выхо-да потока, а также выносов сечений в трёх контрольных сечениях лопатки. В исследовании было решено несколь-ко задач оптимизации. Первая задача оптимизации решена для трёхступенчатого КНД газотурбинного дви-гателя. Критериями оптимизации являлись увеличение КПД и уменьшение расхода на основном режиме работы. В процессе опти-мизации задавались ограничения на величи-ну степени повышения давления и расхода. Параметризация лопаток рабочего колеса и направляющего аппарата выполнялась в трёх сечениях. В каждом сечении менялась форма средней линии лопатки и углы установки каждого сечения. Для решения поставленной задачи про-грамме–оптимизации IOSO потребовалось 1884 обращения к расчётной модели. В ре-зультате оптимизации была найдена форма лопаток КНД, которая обеспечивает увели-264 чение его КПД на 1,3% (абс.) при увеличе-нии степени повышения давления на 4%, частоты вращения на 2% и снижении расхо-да рабочего тела на 8% относительно ком-прессора базового двигателя. Аналогично, но с другими постановка-ми, были решены задача оптимизации пер-спективного КНД и КВД газотурбинного двигателя.   УДК 621.452.3 ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТУПЕНИ ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОВРЕМЕННЫХ ПРОГРАММНЫХ КОМПЛЕКСОВ © 2018  О.В. Батурин, Е.С. Горячкин, А.А. Волков, Ли Wenyu Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва  DESIGNING THE STAGE OF THE AXIAL COMPRESSOR USING MODERN SOFTWARE COMPLEXES Baturin O.V., Goriachkin E.S., Volkov A.A., Li Wenyu (Samara National Research University, Samara, Russian Federation) The paper presents a technique for profiling the stage of an axial compressor using modern software. Profiling was performed on the basis of the 1D calculation. After the profiling has been carried out, 3D calculation of the work-ing process of the designed stage.  В настоящее время стандартный цикл проектирования лопаток турбомашин вклю-чает следующие этапы: предварительный 1D расчёт основных параметров проектируемой турбомашины, 2D расчёт параметров пло-ских сечений лопатки, поверочный 3D рас-чёт рабочего процесса спроектированной ступени в CFD  программном комплексе.  В случае, если в результате поверочного расчё-та параметры спроектированной турбома-шины не достигли заданного уровня,  форма профилей лопаток корректируется и расчёт повторяется. Последние два шага повторя-ются до получения требуемого результата, то есть процесс проектирования турбомашины является итеративным. Количество итераций может быть достаточно большим. По этой причине, для получения готовой конструк-ции за меньшее время, используются раз-личные системы автоматизации. В частно-сти, одной из таких систем является про-граммный комплекс NUMECA AutoBlade, предназначенный для получения 3D геомет-рических моделей лопаток турбомашин раз-личных типов на основе данных 1D и 2D расчёта. В представленной работе описана ме-тодика проектирования ступени осевого компрессора с использованием программно-го комплекса NUMECA AutoBlade. Методи-ка включала этапы построения профилей се-чений лопаток, поверочное 3D моделирова-ние и анализ результатов. 1D расчёт проектируемой ступени был проведен исходя из следующих параметров: – расхода рабочего тела = 14,9 кг/с; – степень повышения давления в сту-пени К∗ = 1,15; – КПД К∗ = 0,906. 3D модели лопатки рабочего колеса и направляющего аппарата создавались от-дельно. Создание модели каждой лопатки выполнялось в следующем порядке. Сначала было определено, что референтные профили лопаток будут строиться в трёх плоских рав-номерно расположенных по высоте проточ-ной части сечениях (втулочном, среднем и периферийном). Затем были заданы радиусы расположения референтных сечений и опре-делены обводы проточной части проекти-руемой ступени. На основе известных значе-ний углов входа и выхода потока создава-лась средняя линия каждого сечения лопат-ки. Форма профилей сечений задавалась распределением толщины профиля вдоль средней линии. Полученные в результате профили были проверены на плавность из-менения ширины межлопаточного канала. Данные действия выполнялись для каждого сечения лопатки.  

METHOD ОF MULTI-CRITERIAL OPTIMIZATION ОF THE BLADE SHAPES ОF AXIAL COMPRESSORS OF GAS TURBINE ENGINES

http://repo.ssau.ru/bitstream/Mezhdunarodnaya-nauchnotehnicheskaya-konferenciya-Problemy-i-perspektivy-razvitiya-dvigatelestroeniya/METODIKA-MNOGOKRITERIALNOI-OPTIMIZACII-FORMY-LOPATOK-OSEVYH-KOMPRESSOROV-GAZOTURBINNYH-DVIGATELEI-73207/1/ilovepdf_com-263-264.pdf

METHOD ОF MULTI-CRITERIAL OPTIMIZATION ОF THE BLADE SHAPES ОF AXIAL COMPRESSORS OF GAS TURBINE ENGINES

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Samara University