Проектирование и анализ нового шахтного вентилятора инструментом ANSYS Workbench
О.В. Мелехина, инженер технической поддержки Группы компаний «Делкам-Урал» – «PLM-Урал»
Г.С. Новаковский, руководитель группы технической поддержки ГК «Делкам-Урал» – «PLM-Урал»
При создании конкурентоспособного изделия, отвечающего высоким требованиям заказчиков и обладающего высокими потребительскими качествами, производители всё больше используют инструменты компьютерного инженерного анализа (CAE) как для решения конструкторских задач, так и для расчёта технологических процессов. Эти инструменты позволяют экономить время и издержки процесса проектирования за счёт сокращения испытаний на прототипах и снижения объёма опытной отработки.
Внастоящее время наиболее популярной CAE-системой как в мире в целом, так и в России в частности, стал программный комплекс ANSYS*, который использует семейство численных методов для решения задач динамики и прочности, теплообмена, газо- и гидродинамики, электромагнетизма. К сильной стороне данного программного продукта относят его способность решать междисциплинарные задачи (с сопряжением различных областей физики), а также задачи проектной, топологической и вероятностной оптимизации. Данная обширная зона покрытия решения задач даёт возможность инженеру-разработчику передовых технологий и изделий решать задачи любого уровня сложности.
Группа компаний «Делкам-Урал» – «PLM-Урал» в течение пятнадцати лет является официальным партнёром корпорации ANSYS на территории РФ, имеет подтвержденные дипломы и сертификаты компетенции в области реализации и сопровождения программных продуктов ANSYS. Группа компаний предоставляет комплекс услуг по поставке программного обеспечения, его технической поддержке, проведению многоуровневого обучения специалистов предприятий по базовым и специализированным курсам, индивидуальным курсам по задачам заказчиков. Также широко развита сфера оказания услуг по выполнению расчётов предприятий-заказчиков инженерами «Делкам-Урал» – «PLMУрал». Данная возможность используется клиентами для быстрого получения результатов расчётов при отсутствии времени и возможности изучить инструменты программного обеспечения ANSYS.
В 2010 году нашей компанией был успешно реализован проект комплексного решения задачи по аэродинамическому проектированию и анализу шахтного вентилятора. Заказчику в короткие сроки требовалось разработать новое изделие без опоры на прототип (до этого предприятие изготавливало вентиляторы значительно больших размеров по готовому пакету конструкторской документации). Проектирование осложнялось серьёзными конструктивными ограничениями, а также высокими эксплуатационными требованиями (широкий диапазон рабочих расходов и давлений при заданном уровне КПД).
Основная цель данной работы заключалась в определении оптимальной формы лопаток рабочего колеса (РК) и направляющих аппаратов (НА) по заданным габаритным размерам и режимам работы вентилятора. После этого, на основе полученной геометрической модели, проводилось численное моделирование аэродинамики вентилятора для разных углов поворота управляемых лопаток РК. По полученным результатам строились аэродинамические характеристики рабочего колеса (подача, перепад давления, КПД), а также проводилась корректировка геометрии лопаток РК и НА с целью приближения к заданным параметрам.
Для проектируемого вентилятора заказчиком были заданы: внешний и внутренний диаметр РК, угловая скорость вращения РК, эксплуатационные диапазоны изменения объёмного расхода (подачи) воздуха и перепада давления, создаваемого вентилятором, желаемое количество лопаток и прочее. Особое внимание было уделено двум требованиям: а) толщина лопаток по хорде и по высоте должна быть постоянной; б) форма лопаток НА должна быть образована цилиндрическими поверхностями с фиксированным радиусом кривизны. Эти условия упрощают и удешевляют технологию изготовления лопаток, кроме того, делают реализуемыми все технологические операции на производственной базе заказчика.
Работа, проведённая инженерами Группы компаний «Делкам-Урал» – «PLM-Урал» включала такие этапы, как проведение серии проектировочных аэродинамических расчётов, определяющих геометрию лопаток РК, НА; выбор нескольких прототипов лопаток; доработку геометрической модели лопаток; построение трёхмерной сеточной модели (дискретизация расчётной области), а также задание физических моделей для созданной расчётной области; проведение серии расчётов; обработка и анализ результатов.
Для выполнения этих этапов использовались программные модули BladeGen, DesignModeler, Parameter Set, TurboGrid, CFX, объединённые в единое информационное пространство программной платформой ANSYS Workbench (рис. 1).
Схема проекта в едином информационном пространстве ANSYS Workbench
На первом этапе выполнения проекта были произведены проектировочные аэродинамические расчёты в модуле BladeGen c помощью присоединённого решателя VistaAxialFanDesign. Форма лопаток РК и НА определялась, исходя из одномерного (по направлению потока) итерационного решения упрощенных уравнений динамики газа. Расчёт проводился многократно по входным параметрам, часть из которых были фиксированными, а другие, такие как длины хорд лопаток РК и НА, углы входа и выхода лопаток, количество лопаток РК и НА – варьировались таким образом, чтобы результирующая конструкция лопаток вентилятора давала максимальный КПД, максимально соответствовала указанным в ТЗ диапазонам эксплуатации.
Для обеспечения нужного перепада необходимо было включить в конструкцию входные и выходные НА, а после – произвести расчёт и определить конфигурацию лопаток. Все полученные профили лопаток имели переменную толщину. Исходя из требования заказчика геометрия лопаток была изменена так, что толщина стала фиксированной, как для РК, так и для НА. Кроме того, форма лопаток НА была исправлена так, чтобы боковые поверхности лопаток были цилиндрическими с фиксированным радиусом кривизны.
В результате работы в модуле BladeGen были получены профили лопаток РК (рис. 2) и НА с учётом заданных заказчиком геометрических и аэродинамических ограничений.
Отображение профиля лопатки РК в межлопаточном простран стве в модуле BladeGen
На втором этапе работы в модуле DesignModeler создавалась ось вращения лопатки РК, объекты FlowPath для описания меридионального вида проточной части и ExportPoints для экспорта ключевых точек проточной части в сеточный генератор TurboGrid. При помощи функции BodyOperation эмитировалось регулировочное вращение лопатки на ступице РК. Угол поворота был задан параметром, после чего в схеме проекта Workbench появился редактор параметров (Parameter Set), в окне которого была задана серия значений угла поворота, для которых проводился многовариантный расчёт. Вторым входным параметром был назначен массовый расход вентилятора. По результатам расчёта выдавалась таблица соответствующих значений перепада давления и КПД, заранее назначенных выходными параметрами. В данной задаче для вентилятора рассчитывалась аэродинамическая характеристика для семи различных углов поворота лопатки РК. На рис. 3 отражены все параметрические величины, которые были установлены в различных модулях данного проекта WB.
Панель входных и выходных параметров в модуле редактора параметров (Parameter Set)
Для построения сеточной модели расчётной области использовался специализированный сеточный генератор TurboGrid, который позволил быстро создать качественную структурированную сетку гексаэдрических элементов. Чтобы избавиться от возможных ошибок перестроения сетки при изменении регулировочного угла был установлен метод ATM Optimized, который автоматически подбирает топологию блоков. Далее для сетки в пограничном слое устанавливали количество узлов и метод построения элементов около стенки (рис. 4).
Отображение сетки на поверхностях межлопаточной области РК в модуле TurboGrid
После того, как все три сеточные модели лопаток рабочего колеса, входного и выходного направляющего аппарата были построены, они передавались в один расчётный модуль CFX. После определения свойств стационарных доменов, задания условий вращения домена рабочего колеса, определения граничных условий на входе и выходе и периодических интерфейсов, а также интерфейсов между вращающимся и стационарными доменами были установлены условия стенки на поверхности лопаток, заданы настройки решателя и параметры выдачи данных в файл результатов. Далее производился расчёт.
Контроль сходимости решения выполнялся по графикам среднеквадратичных невязок всех решаемых уравнений, а также по графикам точек мониторинга, к которым относились перепад полного давления на вентиляторе и его КПД. По результатам многовариантного расчёта, по полученным значениям перепадов давлений, КПД, строились кривые аэродинамической характеристики. Полученная характеристика представлена на рис. 5, где каждая кривая, отличающаяся цветом и типом маркеров, обозначает характеристику при фиксированном значении угла поворота лопатки РК. Красная пунктирная линия ограничивает область требуемых эксплуатационных характеристик. Синим пунктиром показаны уровни КПД, курсивом указаны значения мощности, превышающей предел, установленный заказчиком.
Отображение аэродинамической характеристики вентилятора при разных углах поворота лопатки РК
На основании полученной при расчётах характеристики вентилятора был сделан вывод, что область требуемых в ТЗ эксплуатационных характеристик покрывается на 88%, что удовлетворило заказчика. Остальные требования закладывались как исходные данные при проектировочных расчётах и выборе формы лопаток.
В ходе выполнения расчётов для части эксплуатационного диапазона была выявлена зона характеристики с возможными пульсациями давления. В области малых подач (от 2 до 2.4...2.8 м3/с) для регулировочного угла лопаток РК более 10° характерны трудности сходимости решения в стационарной постановке. Проверка решением в нестационарной постановке (с зависимостью от времени) показала наличие пульсаций создаваемого перепада давления и потребной мощности с амплитудой 5–10% от абсолютного значения. На рис. 6 показаны вихри, образующиеся за лопатками выходного направляющего аппарата, возникающие в этих режимах. Цвет линии тока воздуха отображает скорость движения потока. Для оценки механической прочности РК был проведён расчёт напряженнодеформированного состояния. Оценивался не только уровень максимальных напряжений, но и влияние деформации лопаток на изменение аэродинамических характеристик. Данный расчёт показал более чем трёхкратный запас статической прочности по пределу текучести. Отличие точек аэродинамической характеристики для исходной и деформированной форм лопаток РК не превысило 2%. На рис. 6 показано распределение давления на лопатках РК, которое передавалось из аэродинамического расчёта в механический анализ.
Линии тока воздуха и поверхностная нагрузка на лопатках РК. Возникновение вихрей за выходным направляющим аппаратом, характерное для неоптимального режима работы вентилятора
Время, отведённое заказчиком на выполнение данного расчёта, составляло три недели. Возможности расчётной платформы Workbench и входящих в неё программных модулей ANSYS, позволили достичь поставленных целей, несмотря на сложность задачи, комплексный подход к её решению и сжатые сроки.
Весь перечень поставленных целей был выполнен:
- определена оптимальная форма лопаток рабочего колеса и направляющего аппарата;
- проведено численное моделирование аэродинамики рабочего колеса вентилятора для разных углов поворота лопатки с учётом направляющего аппарата;
- определены аэродинамические характеристики рабочего колеса;
- скорректирована геометрия лопатки с целью приближения к заданным параметрам.
Результатом выполнения проектного расчёта стало создание шахтного вентилятора по требованиям заказчика, покрывающего область требуемых эксплуатационных характеристик на 88%. Данный расчёт сэкономил в значительной степени временные и денежные ресурсы заказчика. В настоящее время предприятие тестирует опытный образец шахтного вентилятора, созданный по данным моделирования, произведённого техническими специалистами Группы компаний «Делкам-Урал» – «ПЛМ Урал» с использованием возможностей программного комплекса ANSYS.
