<img height=\"1\" width=\"1\" style=\"display:none\" src=\"https://www.facebook.com/tr?id=445424938985795&ev=PageView&noscript=1\" />
 
 
 
 

 

 
 
 
+7 (812) 313-18-10 
 
 

Комплексное решение для проектирования турбомашин от IDEAL PLM

 

 
 

 

Автор статьи - Мария Кулешова, руководитель группы вычислительного моделирования IDEAL PLM. Вы можете задать вопросы Марии в форме под статьей. Приятного прочтения!

 

Содержание

 

  1. Вступление

  2. Концептуальное проектирование турбомашин

  3. CFD-моделирование работы изделия

  4. Оценка параметров прочности

  5. Автоматизированная оптимизация – ключ к эффективному изделию

  6. Резюме  

 

 

 

Вступление

Такой тип устройств, как турбомашины, широко применяется во многих отраслях промышленности: от добычи нефти и газа до городского водоснабжения и кондиционирования помещений. Высокая степень интеграции турбомашин в технические системы накладывает серьезные требования к их параметрам и режимам работы. Традиционно указанные показатели обеспечивались на основе методик и подходов с большим количеством эмпирических зависимостей, применение которых не всегда гарантирует качественный результат.

 

В настоящее время при разработке изделия производитель все чаще прибегает к проведению т. н. численного эксперимента. На основе данного подхода компания IDEAL PLM разработала комплексное решение для проектирования турбомашин, включающее в себя весь набор расчетов необходимых для оценки характеристик изделия. Применение данного решения позволит значительно улучшить процесс разработки изделия, сделав его более быстрым и гибким

 

 

 
 

Концептуальное проектирование турбомашин

 
 
 

Проектирование изделия всегда начинается с определения и подготовки рассматриваемой геометрии. Использование методов инженерного анализа чаще всего подразумевает работу с трехмерной моделью изделия. Проточная часть турбомашины обладает геометрией сложной формы, для нее характерны профилированные лопатки рабочих колес, спиральные или лопаточные отводы, многоступенчатая конфигурация и т.д. Реализация всех этих особенностей в стандартном CAD-пакете занимает немало времени, даже при наличии у конструктора соответствующего опыта.

 

Однако есть и другое решение этой проблемы – специализированные продукты для проектирования. Одной из таких программ является пакет CFturbo, который позволяет создавать параметризованную модель проточной части таких турбомашин, как: радиальные, диагональные и осевые насосы, вентиляторы, газовые турбины и компрессоры (за исключением осевых). Помимо различных типов рабочих колес CFturbo также формирует проточную часть, включающую лопаточные статоры и спиральные отводы; возможно создание многоступенчатых машин, колес двойного всасывания, закрытого и полуоткрытого типов.

 

Высокая степень параметризации финальной модели позволяет успешно применять ее на этапе концептуального проектирования (Рисунок 1). Данная геометрия легко поддается построению расчетной сетки и проведению численного анализа, также она может быть быстро и качественно передана в CAD-продукт для интеграции в общую сборочную единицу. Любые изменения в конфигурации, возникающие на последующих этапах проектирования, легко могут быть применены к подготовленной проточной части.

  

Благодаря интуитивно понятному интерфейсу и пошаговому подходу к проектированию, реализованному в продукте, работать в нем просто, и освоение программы не занимает много времени. Подготовив трехмерную геометрию проточной части, можно переходить к следующему этапу разработки изделия – проверке его характеристик методами инженерного анализа. 

 

 

Рисунок 1. Концептуальное проектирование турбомашины с применением CFturbo

 
 
 
 

CFD-моделирование работы изделия

 
 
 

Этап численного моделирования подразумевает создание модели изделия, максимально отражающей его поведение в интересующих условиях эксплуатации. Для турбомашин это, в первую очередь, динамические характеристики потока, а также работа изделия в широком диапазоне нагрузок. Для решения подобной задачи могут быть использованы различные инструменты, компания
IDEAL PLM остановила свой выбор на решении STAR-CCM+.

 

В процессе инженерного анализа работы изделия разработчик сталкивается с несколькими распространенными проблемами, первая из которых – сложность и длительность процесса построения расчетной сетки, ее большой объем, а значит увеличенная длительность последующих расчетов. 

 

Рекомендуемое решение поддерживает использование полиэдрических, а не тетраэдральных, элементов для построения расчетной сетки (хотя второе также возможно), что позволяет сократить размерность сетки при сохранении точности расчетов,а также обладает функцией ее подготовки в параллельном автоматическом режиме. Указанный функционал программы исключает наличие приведенных выше препятствий.

 

Вторым, не менее важным, вопросом являются возможности решения в вопросах моделирования физических процессов различной природы. Помимо оценки параметров потока в машине, необходимо также учитывать особенности его эксплуатации (агрессивная многокомпонентная рабочая среда (Рисунок 2), высокие температуры, соответствующие фазовые переходы, реология неньютоновских жидкостей и т.д.). Все эти явления и эффекты могут быть учтены при использовании STAR-CCM+ как отдельно, так и в рамках решения сопряженной задачи.

 

Наряду с оценкой гидрогазодинамики потока, которая характеризует энергетические показатели машины, стоит принимать во внимание и характеристики конструкции с точки зрения ее прочности.

 

 

Рисунок 2. Расчет шламового насоса с учетом эрозии стенок проточной части под действием песка

 

 
 
 

Оценка параметров прочности

 
 
 

Применяемая для моделирования соответствующих свойств программа Simcenter 3D обеспечивает выполнение полного набора расчетов, включая расчет напряженно-деформированного состояния, анализ устойчивости, исследование установившихся и неустановившихся процессов, нелинейных статических процессов, нелинейных динамических переходных процессов, анализ частотных характеристик (Рисунок 3), отклика на динамические воздействия. При этом могут быть рассмотрены все возможные условия эксплуатации конструкции, с учетом актуальных механизмов разрушения материала.

 

Зачастую расчет элементов конструкции (особенно корпусных деталей) подразумевает решение сопряженной задачи: гидродинамика потока, тепловое состояние изделия, соответствующие прочностные характеристики. Приведенный набор инструментов инженерного анализа позволяет быстро и эффективно интегрировать различные по своей физической природе расчеты между собой и проводить качественную оценку работоспособности изделия с учетом всех воздействующих на него факторов.

 

Указанные выше типы численного анализа позволяют оценить характеристики определенной конфигурации изделия, но зачастую при разработке новых или модификации старых изделий для достижения желаемых параметров разработчик вынужден проводить серию численных экспериментов, что превращает этот этап в довольно ресурсоемкий. В случае отсутствия опыта и данных аналогов проектировщик вынужден практически вслепую изменять изделие, перебирать различные варианты и оценивать каждый из них вручную. Этот этап можно значительно упростить, используя оптимизационный подход

 

 

Рисунок 3. Формы колебаний ротора

 

 
 
 

Автоматизированная оптимизация – ключ к эффективному изделию

 
 
 

Традиционно оптимизация подразумевает использование математического алгоритма для определения вариантов геометрии, подлежащих рассмотрению. Соответствующие конфигурации необходимо подготовить в виде трехмерных моделей и подвергнуть численному анализу. Зачастую такой подход сопровождается некоторыми сложностями: от выбора алгоритма и его адаптации под конкретную задачу до подготовки большого количества геометрических моделей (обычно не менее 100) и проведения их моделирования.

 

Использование программы для автоматизированной оптимизации, в предлагаемом решении это продукт HEEDS, позволяет передать ей всю «механическую» работу, а также быстрее настраивать алгоритмы, реализованные в соответствующем коде. 

 

Отличительной особенностью HEEDS, помимо интеграции с практически любым CAD/CAE приложением, является его гибридный адаптивный алгоритм SHREPA, который самостоятельно определяет стратегию поиска оптимального решения в зависимости от рассматриваемого случая.

 

Весь рабочий процесс решения задачи оптимизации реализуется в автоматическом режиме, все, что требуется от исследователя, это подготовить исходную геометрическую и расчетную модели, указать параметры для изменения и критерии оценки качества конфигурации, далее программа работает самостоятельно, лишь демонстрируя пользователю результаты для каждого варианта по мере их оценки. Инженер не ограничен ни по числу рассматриваемых переменных, ни по типу и характеру учитываемого критерия (КПД, форма рабочей характеристики, масса, вибропрочность и т.д.)

 

 

 

Рисунок 4. Распределение давления в сечениях проточной части (сверху – вариант, спроектированный по «систематикам», снизу – оптимизированный вариант)

 

 

Рисунок 5. Процесс поиска оптимального решения

 

 
 
 

Резюме

 
 
 

Таким образом, объединяя между собой инструменты для подготовки геометрии изделия, проведения требуемых видов его анализа и последующей оптимизации, решение, предлагаемое компанией IDEAL PLM, предоставляет разработчику все необходимые инструменты для модернизации процесса проектирования устройства.

 

Очевидно, что высокая степень автоматизации всех процессов и глубокий анализ поведения изделия в процессе его эксплуатации в рамках численного эксперимента значительно сокращают общее время, затрачиваемое на этап разработки, и последующие затраты на его техническое обслуживание и ремонт.

 

Наряду с этим исключается необходимость в изготовлении и испытании серии опытных образцов, что зачастую затягивает процесс выпуска изделия на месяцы, а, в некоторых случаях, годы. Результат внедрения подобного решения – быстрый выход на рынок конкурентоспособного и качественного изделия.

Вопросы по комплексному решению для проектирования турбомашин






* Поля, отмеченные звездочкой, обязательны для заполнения

Нажимая на кнопку "Отправить", вы даете согласие на обработку своих персональных данных

 

 

 

 

 

Адрес

Кондратьевский пр. 15, корп. 3.
б/ц “Фернан Леже”,
офис 319

Время работы

Пн - Пт
10.00 - 18.00

       

Телефон

+7 (812) 313-18-10  

E-mail 

contact@ideal-plm.ru

Заказать звонок

Мы позвоним
в рабочее время

Позвоните мне
Нажимая на кнопку "Заказать звонок", вы даете согласие c Политикой обработки персональных данных
Спасибо,

Спасибо! Заявку получили, сейчас позвоним.

Подождите,

Ваша заявка обрабатывается!