Численное моделирование пульсаций давления и нестационарных нагрузок в радиальной турбине турбодетандера

Авторы

Тимушев С. Ф.^*, Клименко Д. В.^**, Фирсов В. П.^***, Антюхов И. В.^****

Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), 125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 4

*e-mail: TimushevSF@mai.ru
**e-mail: srmitriy@gmail.com
***e-mail: firsovval@mail.ru
****e-mail: cryogen204@mail.ru

Аннотация

Современные системы криостатирования находят важное применение для поддержания теплового режима и сохранения криогенного топлива в топливных баках современных космических систем, а также в линиях высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП). В данной работе проведено численное моделирование нестационарных газодинамических процессов в проточной части турбодетандера — радиальной турбины применяемой в системе криостатирования. Геометрия расчетной области разработана с тем, чтобы учесть основные особенности течения рабочего тела в проточной полости, включая геометрию четырнадцати рабочих лопаток и восьми лопаток соплового аппарата. Расчетная область разбита на три подобласти: корпус соплового аппарата, область ротора, выхлопная часть. Задача решается с применением, так называемых скользящих поверхностей, которые служат для передачи данных из зоны ротора, где расчет ведется во вращающейся системе координат, в зону статора, с учетом углового смещения подобластей и межсеточной интерполяции. Шаг расчета по времени выбирается из условия обеспечения углового смещения за один шаг в пределах одной ячейки расчетной сетки. В результате расчётов были получены мгновенные поля скоростей, распределения давления, температуры и числа Маха. Для определения пульсаций давления выбраны точки в зоне косого среза лопаток соплового аппарата. Проведён спектральный анализ полученных данных, который показал, что тональная компонента с частотой следования рабочих лопаток доминирует в спектрах пульсаций давления, а ее амплитуда составляет свыше 7000 Па. Расчет нагрузки на лопатку соплового аппарата дает амплитуды силы 2 Н и амплитуду момента 0.03 Н м.

Ключевые слова:

криорефрижератор, турбодетандер, скользящая поверхность, численное моделирование, спектры пульсаций давления, частота следования лопаток

Библиографический список

1. Техника низких температур / Под ред. Е.И. Микулина И.В., Марфениной И.В., Архарова А.М.: — М.: Энергия, 1975. 512 с.

2. Епифанова В.И. Низкотемпературные радиальные турбодетандеры. — М.: Машиностроение, 1974. −448 с.

3. Fredrik Hellström Numerical computations of the unsteady flow in a radial turbine. March 2008 Technical Reports from Royal Institute of Technology KTH Mechanics. SE-100 44 Stockholm, Sweden.

4. Software package for gas and fluid flow simulation FlowVision. Version 2.5.0. Manual CAPVIDIA, 1999-2007 Leuven, Belgium.

5. Wilcox D. C., (1994) «Turbulence modeling for CFD» // DCW Industries, Inc. 460 p

Скачать статью