ANSYS. Многодисциплинарное исследование одноступенчатой околозвуковой турбины ЖРД

В работе представлено расчётно-экспериментальное многопараметрическое исследование пространственных стационарных и нестационарных вязких течений реального газа в одноступенчатой турбине ЖРД с взаимным влиянием статора и ротора (рис. 1). Проведено исследовано влияние теплообмена в ряде наиболее напряженных пространственных элементов на характеристики потока турбогаза и конструкции.

Вычисления газодинамических параметров проводились интегрированием усреднённых по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса, замкнутых k-e моделью турбулентности, с использованием программы ANSYS CFX. В расчётах нестационарных течений учитывалась реальность газа.

В рамках пакета программ расчета конструкций на прочность ANSYS на базе газодинамических полей течений, рассчитанных изложенным выше методом, построены конечно-элементные модели (КЭМ) статора и ротора и проанализированы на стационарных режимах картины напряженно-дефор¬мированных состояний ротора и лопаток статора (рис. 2 - 4).

Решена задача вынужденных колебаний ротора от приложения рассчитанного нестационарного поля давления газа на его лопатки (рис 5а - 6а). Решение ищется в виде разложения по формам собственных колебаний; при этом модальные коэффициенты демпфирования определены экспериментально.

Рис .1. Подсборка статора одноступенчатой околозвуковой турбины (КЭМ)

Рис. 2. Нагрузки (давление, температура).

Рис. 3. Напряжения в подсборке статора

Рис. 4. Рабочее колесо турбины (КЭМ)

Рис. 5а. Ротор турбонасосного агрегата (разрез).

Рис. 6а. Ротор турбонасосного агрегата.

Произведено сопоставление расчетных собственных частот и форм колебаний ротора с полученными экспериментально при ударно-импульс¬ном возбуждении ротора (рис. 5 - 7).

Результаты расчетов сравнены с данными специальных стендовых испытаний турбин и с данными огневых испытаний ЖРД (на примере двигателя РД180) (рис. 8 и 9).

Рис. 5. Форма колебания диска турбины.

Рис. 6. Первая изгибная форма колебания вала насоса окислителя.

Рис. 7. Первая изгибная форма колебания вала насоса горючего

Во второй части работы представлены результаты расчётного многопараметрического исследования пространственных вязких течений газа в турбине на базе интегрирования уравнений Навье-Стокса. Проведен анализ влияния стационарных температурных неравномерностей на лопатках турбины на их напряженно-деформированное состояние из-за подачи криогенного кислорода в кольцевую полость между статором и рабочим колесом и через стояночное уплотнение, а также из-за наличия холодного пристеночного слоя во входном патрубке турбины.

Расчёты теплообмена выполнены с использованием стандартной программы ANSYS CFX. Прочностные расчёты выполнены, как и ранее, с использованием трёхмерной конечно-элементной модели (КЭМ) ANSYS.

В результате расчётов показано, что уменьшение расхода криогенного кислорода на охлаждение бандажа и через стояночное уплотнение существенно уменьшает напряжения на выходных кромках лопаток (рис. 10).

Рис. 8. Жидкостный ракетный двигатель РД180

Рис. 9. Ракета носитель ATLAS III, первая ступень - РД180

Рис. 10. КЭМ рабочего колеса турбины.