Численные исследования нестационарного взаимодействия венцов турбомашин

Кухтин Ю.П., Лапотко В.М.

ГП ЗМКБ "Прогресс" им. А.Г. Ивченко, Запорожье, Украина

Наблюдающаяся тенденция развития осевых турбомашин, характеризующаяся возрастанием чисел оборотов роторов, уменьшением осевого расстояния между отдельными венцами, применением высоконагруженных направляющих и рабочих решеток, настоятельно требует развития и использования в практике проектно-конструкторских работ методов расчета нестационарных течений. Рассматриваемая нестационарность течений обусловлена наличием относительного движения жестких поверхностей направляющих и рабочих лопаток. Известный подход, основанный на использовании различных систем координат: абсолютной для направляющих решеток и  относительной для рабочих решеток - не обеспечивает приемлемой точности расчета вследствие “мазания” параметров потока (температура, энтропия среды и т. д.) на линиях скольжения  сеток в осевом зазоре. Авторы настоящей работы разработали и неоднократно апробировали на различных типах течений метод отслеживания струй тока (МОСТ), пригодный для расчета обтекания тел с подвижными, несвязными, жесткими поверхностями. Использование этого метода позволяет проводить моделирование нестационарного течения вязкого газа в турбомашинах в единой системе координат (например, в абсолютной), что устраняет негативный эффект, связанный со скольжением сеток. В основу метода отслеживания струй тока положено использование подвижных, так называемых, лагранжевых сеток. Это бесконечно тонкие, невесомые и непроницаемые для основного потока поверхности. Проницаемость поверхностей такого вида допустима лишь для молей среды, которые имитируют диффузию, обусловленную физической вязкостью и турбулентным движением среды. Разработанный универсальный алгоритм расчета обеспечивает как совпадение этих поверхностей с поверхностями раздела струй тока, так и выполнимость для каждого элемента расчетной области законов сохранения массы, импульса и энергии. Внедрение такого подхода в практику проектирования турбомашин в ГП ЗМКБ “Прогресс” им. А.Г. Ивченко позволило с приемлемой точностью решить ряд технических задач. Среди них оценка аэродинамического воздействия выше стоящих и ниже стоящих по потоку направляющих венцов и стоек выхлопных систем на лопатки рабочего колеса с целью оптимизации осевого зазора. Для иллюстрации возможностей метода на рис. 1 представлены результаты расчета 2-D нестационарного течения в 1.5 экспериментальной ступени турбины. В качестве научно-технического задела выполнялись численные исследования по оценке clocking-эффекта применительно к турбинным решеткам, а также исследования нестационарных течений в венцах биротативных турбомашин.