OPTIMALIZACE KOMPRESOROVÉHO STUP Ě

Transkript

1 OPTIMALIZACE KOMPRESOROVÉHO STUP Ě Ing. Aleš MACÁLKA, TECHSOFT Engineering, spol s r. o., macalka@techsoft-eng.cz Ing. Jindra KOSPRDOVÁ, ČKD NOVÉ ENERGO, a.s., Jindra.Kosprdova@ckdenergo.cz Ing. Petr KOLÁŘ, TECHSOFT Engineering, spol s r. o., kolar@techsoft-eng.cz Ing. Antonín TUČEK CSc., TECHSOFT Engineering, spol s r. o., tucek@techsoft-eng.cz Ing. Jiří OLDŘICH, ČKD NOVÉ ENERGO, a.s., Jiri.Oldrich@ckdenergo.cz Ing. Petr VLČEK, ČKD NOVÉ ENERGO, a.s., Petr.Vlcek@ckdenergo.cz Anotace Tento článek se zabývá tvarovou optimalizací průtočné části stupně odstředivého turbokompresoru s využitím moderních návrhových metod. Cílem optimalizace je zvýšení polytropické účinnosti a kompresního poměru. Stupeň odstředivého kompresoru se skládá z oběžné lopatky, difuzoru, oblouku a vratného kanálu s lopatkou. Optimalizované části jsou oběžná lopatka, nosný a krycí kotouč. Optimalizace je řešena ve spolupráci firem TechSoft Engineering a ČKD Nové Energo. Popis optimalizace Optimalizační smyčka se skládá z několika programů, které zajišťují celý proces od generace geometrie až po zhodnocení účinnosti každého tvaru. Optimalizace probíhala v několika etapách. Optimalizační proces je znázorněn na Obrázku 1.: 1) Optimalizace vychází z úvodního návrhu kompresorového stupně (úvodního tvaru). 2) Pro generaci možných tvarových změn vycházejících z parametrizace je použito metody DOE (Design of Experiments) v programu isight. 3) Na základě vygenerované DOE matice možných tvarů jsou generovány geometrie v CAD formátu igs programem AxCent společnosti Concepts NREC. 4) Program GridPro generuje výpočetní sítě pro jednotlivé tvarové varianty z programu AxCent. 5) V CFX Preprocesoru jsou automaticky nastaveny okrajové a iniciační podmínky. 6) V CFX Solve jsou provedeny CFD výpočty proudění. 7) Následné vyhodnocení CFD výpočtu, zejména účinnosti je provedeno v programu CFX Post 8) Výsledky výpočtů jsou aproximovány programem isight a je stanoven finální tvar, který má nejvyšší polytropickou účinnost Obrázek 1-1 -

2 Výpočetní oblast Ve výpočetním modelu byla řešena periodicky se opakující oblast přináležející jedné lopatce oběžného kola včetně mezilopatky, části bezlopatkového difuzoru a vratného oblouku a jedné lopatce vratného kanálu, Obrázek 2. Výpočetní síť Pro optimalizační výpočty byla použita prostorová síť stávající se ze šestistěnů, vytvořená v generátoru sítí GridPro, Obrázek 3.. Celkový počet buněk byl cca 0,6 mil. Síť vygenerovaná programem GridPro se díky inteligentnímu zahušťování vyznačuje vysokou kvalitou buněk (průměrná hodnota zkosení 0,08; maximální hodnota zkosení 0,5) Výpočet programem A SYS CFX Obrázek 2 Výpočet byl proveden v programu CFX11. CFX11 je komerční kód založený na metodě konečných objemů (FVM) s řešením Navierových-Stokesových rovnic pro proudění vazké stlačitelné tekutiny doplněných modelem turbulence s možností volby dalších rovnic. Umožňuje využití plně nestrukturovaných sítí. Celý výpočetní algoritmus je doplněn multigridním řešičem urychlujícím konvergenci řešení. Obrázek 3-2 -

3 Popis použitých modelů a) Pro všechny druhy proudění kód CFX řeší rovnice zachování hmoty a hybnosti. b) Celkové nastavení výpočetního modelu uvažuje proudění vzhledem k vyšším hodnotám Machových čísel uvnitř stupně jako proudění stlačitelné tekutiny. Pro zahrnutí vlivu stlačitelnosti média je řešena rovnice zachování energie. c) Model zahrnuje vliv vazkosti pomocí modelu turbulence SST k-ω. d) Výpočet je stacionární. Řešení vzájemné interakce rotorové a statorové části kompresoru při zachování skutečných počtů lopatek umožňuje využití algoritmu "Stage (Mixing Plane)". e) Výpočet je proveden s 1/11 rotorové a 1/18 statorové části. Použita je konformní rotační periodicita. f) Rotace pohybujících se stěn (lopatky, hřídel) jsou pro zadané otáčky definovány v okrajové pohybové podmínce. g) Proudícím mediem je vzduch simulovaný jako ideální plyn. Definice provozních podmínek Výpočet byl proveden pro jeden provozní stav daný otáčkami, hodnotou celkového tlaku a teploty na vstupu a hmotnostním tokem na výstupu. Použité provozní parametry jsou uvedeny v Tabulce 1. ZADÁ Í pro CFD CFD FLUE T Celkový tlak před stupněm [Pa] Celková teplota před stupněm [ C] 20 Hmotnostní tok na výstupu [kg/s] 7,707 Otáčky oběžného kola [ot/min] Tabulka 1 Provozní parametry Zadání výpočtu v programu A SYS CFX Uspořádání výpočtové oblasti je znázorněno na Obrázku 2. Vkládání provozních parametrů podle Tabulky 1 do programu CFX je provedeno prostřednictvím okrajových podmínek. Nastavení řešiče je shrnuto v Tabulce

4 Parametr Hodnota Advection scheme High Resolution Velikost residuí 10-6 Typ residuí RSM Formulace časové závislosti Steady State External solver coupling ne Physical timescale 10-4 s Global Dynamic Model Control ano Multigrid flow ano Turbulentní model SST Celkový počet iterací Tabulka 2- astavení parametrů řešiče isight optimalizační nástroj isight [5] je optimalizační nástroj, využívající matematické metody k nalezení extrému cílové funkce (optima) dané úlohy. Je podporován komerčními CAD/CAE programy (ANSYS, FLUENT, CFX a další), vlastními in house vyvinutými kódy a MSExcel tabulkami. isight je nástroj schopný řídit běh více programů (simulační programy, nástroje pro ověřování designu, databáze, monitorovací zařízení, analyzátory a grafická či textová rozhraní). Jako nástroj pro řízení těchto programů využívá jazyka MDOL (Multidisciplinary Optimization Language), speciálně vyvinutého pro program isight. Tím je dosahováno zrychleného ověření množství tvarových alternativ. Program je vybaven možností rozsáhlého monitorování průběhu řešení, grafickými a textovými výstupy a pokročilou analýzou dat. isight podporuje jak distribuované, tak paralelní výpočty. V této optimalizaci byla zvolena DOE (Design of Experiments) analýza a následně provedena Aproximační metoda pomocí které jsme zjistili globální extrém DOE analýza slouží ke zmapování vlivu jednotlivých deformačních parametrů na cílovou funkci pomocí metody Optimal Latin Hypercube, který efektivně redukuje velikost generované matice. V závěrečné fázi byla použita Aproximační metoda RSM (Response Surface Model), která vytvoří matematický model z výsledků získaných v DOE analýze a predikuje nejlepší možný tvar pro naší cílovou funkci (1) za daných omezujících podmínek

5 Cílová funkce a omezující podmínky Základem optimalizace je cílová funkce (1), která je v naší úloze dána maximalizací polytropické účinnosti. Počet deformačních parametrů byl různý pro jednotlivé etapy (2). Omezující podmínky nejsou definovány. Tyto návrhové parametry umožňují změnu tvaru oběžné lopatky a tvaru kanálu v definovaném intervalu. η opt = max η pol pc7 log pc0 = max κ Tc log κ 1 T 7 cb, (1) X = (x 1, x 2, x 3, x 4, x n,). (2) Výsledky optimalizace Výsledky optimalizace jsou přehledně zpracovány ve formě obrázků, grafů a tabulek, které porovnávají úvodní tvar pro CFD optimalizaci a finální tvar získaný CFD optimalizací. Obrázek 4 ukazuje rozmístění vyhodnocovacích rovin ve směru proudu (Streamwise). Výsledné navýšení polytropické účinnosti v jednotlivých částech kompresorového stupně a kompresní poměr jsou v Tabulce 3. Na Obrázku 5 až 10 jsou vidět porovnání grafických výsledků pro úvodní a finální tvar. AVÝŠE Í η pol 0-2 [%] 1,40 η pol 0-4 [%] 3,46 η pol 0-5 [%] 9,34 η pol 0-7 [%] 9,76 P C7 /P C0 [-] 0,047 Obrázek 4 Vyhodnocovací roviny, Streamwise Tabulka 3 avýšení polytropické účinnosti a kompresního poměru - 5 -

6 Graf 1 Průběh polytropické účinnosti po délce kanálu (Obr.4) Graf 2 Porovnání výsledných charakteristik Graf 3 - Porovnání výsledných charakteristik - 6 -

7 Obrázek 5 Polytropická účinnost v meridiálním řezu, úvodní tvar Obrázek 6 Polytropická účinnost v meridiálním řezu, finální tvaru - 7 -

8 Obrázek 7 Vektory proudového pole v meridiálním řezu, úvodní tvar Obrázek 8 Vektory proudového pole v meridiálním řezu, finální tvar - 8 -

9 Obrázek 9 Vektory proudového pole na výstupu z oběžného kola, zabarvené podle rychlosti, úvodní tvar Obr. 10 Vektory proudového pole na výstupu z oběžného kola, zabarvené podle rychlosti, finální tvar - 9 -

10 Závěr Optimalizace kompresorového stupně byla řešena pomocí metodiky, která byla vyvinuta firmou TechSoft Engineering, spol. s r.o. společně s ČKD NOVÉ ENERGO, a.s. Jako optimalizační nástroj sloužil program isight, výpočet probíhal v programu ANSYS CFX, výpočetní síť byla generována v programu GridPro a tvarové varianty obstarával program AxCent. Optimalizace vycházela z podkladů a výkresové dokumentace společnosti ČKD NOVÉ ENERGO, a.s.. Polytropická účinnost byla zvýšena pomocí CFD optimalizace o 9,76%. Další pozitivní bod optimalizace je zvýšení kompresního poměru 0 0,047%. Zvýšení polytropické účinnosti je patrné z meridiálního řezu stupněm Obrázku 5, 6 a z Grafu 1, který ukazuje nejvyšší nárůst účinnosti v oblasti oblouku 4-5. Optimalizace meridiánu (nosného a krycího kotouče) výrazně zrovnoměrnila proudění v kanále, zejména v difuzorové části a oblouku, kde docházelo ke zpětnému proudění u krycího kotouče, Obrázek 7. Optimalizace lopatky oběžného kola vyrovnala výstupní úhel proudu a omezila zavíření, které způsobuje ztráty špatným náběhem do oblasti difuzoru a vratného kanálu, Obrázek 9 a 10. Seznam literatury [1] ANSYS CFX User s Guide, ANSYS Inc., Canonsburg [2] Gambit 2, Reference Guide, User s Guide Fluent Inc., Lebanon [3] Kalčík J., Sýkora K.: Technická termomechanika. Academia, Praha, [4] Anderson J. D., Jr.: Fundamentals of Aerodynamice, McGraw-Hill, Inc., [5] isight 10, User s Guide, Engineous Software, Inc., [6] Dvořák R.: Vnitřní aerodynamika. ČVUT Fakulta strojní, Praha,