Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В 2017 году был осуществлен первый этап перехода от сложных в реализации 2FSI моделей к инженерной методике. В ходе выполнения работ в рамках первого этапа отыскивались характерные (резонансные) "парциальные" частоты 2FSI подсистем (ЛУ, РУ, РК) для создания на втором этапе комплексной методики аэроупругого расчета компрессора. В 2018 году будут реализованы 2 модели: одна – численно-аналитическая (базируется на результатах 1-го этапа), где учет влияния каждой из отдельных 2FSI подсистем производится путем приложения гармонических нагрузок. Амплитуды, частоты и фазы этих нагрузок получены с использованием быстрого преобразования Фурье для отдельных 2FSI подсистем. Другая модель – комплексная, включающая несколько 2FSI подсистем. Далее производится верификация численно-аналитической модели. Для этого используются результаты, полученные на комплексной модели и, возможно, результаты экспериментальных исследований. По результатам верификации разрабатывается инженерная методика расчета, которая не требует сложных 2FSI расчетов. В рамках выполнения работ по исследованию резонансов в 2FSI подсистеме "рабочее колесо-поток газа" (РК-ПГ) ГПА не учитываются: вал, МП, ЛУ, РУ и дисбалансы. Учитывается влияние входного и выходного аппаратов на характер потока. Расчетная модель включает в себя 2 подмодели: домен газодинамического потока; домен РК. Для построения сеточной модели газодинамического тракта и конструкции использовался встроенный в ANSYS Workbench инструмент Meshing. Общее количество узлов составило 713 669. Проведено 4 типа расчетов: модальный анализ, 2FSI, ННДС без учета газодинамической нагрузки и ННДС с учетом постоянно действующего давления (P=const). Все расчеты проведены на ВВК ПНИПУ при использовании 1 узла на 16 ядрах «IntelXeon E5-2680». Для оценки зависимостей давления и компонент НДС выбраны контрольные точки (КТ). Получены зависимости колебаний от времени: давления торможения; суммарных перемещений; перемещений по осям OX, OY, OZ; напряжений. С использованием программного обеспечения «PowerGraph» получены амплитудно-частотные характеристики колебаний как в газе, так и в конструкции. Среднее значение давления торможения в КТ вблизи лопатки в 1,19 раз больше (на 19%) больше давления торможения в КТ у втулочной поверхности. Средние значения полных перемещений в КТ на лопатке в 30,8 раз больше, чем в КТ на втулочной поверхности, поэтому дальнейший анализ проводился только по КТ на лопатке. Обнаружено, что КТ на лопатке в постановке 2FSI средние значения суммарных перемещений и по осям OX и OZ выше, чем в других постановках. Минимальные значения соответствуют расчету ННДС без учета газа. Среднее значение перемещений по оси OY в постановке ННДС максимальное, минимальное – в 2FSI. В дальнейшем необходима оценка скоростей перемещений, которые в отличие от перемещений могут быть значительными и влиять на газодинамический процесс. Анализ колебаний лопатки показал преобладание перемещений по оси OZ (вдоль оси вала). Преобладание перемещений по оси OZ в суммарных перемещениях наблюдается также в РУ. Обнаружено, что имеется резонанс на частоте 1500Гц, который соответствует резонансам, имеющимся в подсистеме ЛУ (соответствует окружным колебаниям в газодинамическом зазоре) и резонансу в подсистеме РУ. Анализ АЧХ показал наличие характерных частот колебаний суммарных перемещений на лопатке: 390,6 Гц (соответствует 3 моде собственных колебаний конструкции с погрешностью 7%), 1484,4 Гц (соответствует 11 моде собственных колебаний, деформирование входа на конструкции), 2265,6 Гц. Обнаружены характерные частоты в колебаниях по оси OX: 859,4 Гц (соответствует 6 моде), 1484,4 Гц (соответствует 11 моде). Кроме того, имеется "широкий" резонанс в диапазоне частот 2031,22 – 2421,9 Гц. Аналогичная картина наблюдается в колебаниях перемещений по оси OY. Анализ АЧХ показал наличие характерных частот колебаний по оси OZ: 390,6 Гц (соответствует 3 моде собственных колебаний конструкции с точностью 7%), 1484,4 Гц (соответствует 11 моде). Кроме того имеется "широкий" резонанс в диапазоне частот 2187,5 – 2421,9 Гц. Размах колебаний суммарных перемещений на лопатке наибольший в постановке 2FSI, минимальный – в постановке ННДС. Максимальные амплитуды давления торможения вблизи лопатки проявляются на низкой частоте 156,2 Гц (соответствует f тракта с относительной погрешностью 6,5%) и на высокой – 2265,6 Гц. Максимальные амплитуды давления торможения в КТ в выходном устройстве проявляются на частоте 937,5 Гц (соответствует лопаточной частоте с относительной погрешностью 0,89%). В КТ у втулочной поверхности проявляются амплитуды на низкой частоте 234,4 Гц и на высокой – 1406,2 Гц. Анализ вибрационного состояния РК показал, что всплеск амплитуд колебаний на частотах около 2000 Гц может быть вызван поперечными колебаниями газа в проточном тракте РК (от входа к выходу). Характерные поперечные размеры проточного тракта изменяются от 66,6 мм до 147,32 мм. Это может соответствовать частотам от 1174,3 до 2597,59Гц, что попадает в диапазон всплеска на гистограмме, ограниченном частотами 1176 Гц и 2621 Гц. Разработаны, построены и отлажены физическая, твердотельная и сеточная модели 2FSI подсистемы ЛУ ГПА. Разработан план проведения вычислительных экспериментов для 2FSI подсистемы ЛУ ГПА. Определены потребные ресурсы высокопроизводительного вычислительного комплекса (ВВК) ПНИПУ для расчётов ЛУ. Проведены настройка, запуск и мониторинг выполнения расчётных вариантов. Отработана методика расчётов на ВВК ПНИПУ для 2FSI подсистемы ЛУ ГПА. Подготовлены и проведены расчеты по оценке влияния параметров газодинамического потока, геометрических, физико-механических и кинематических характеристик ЛУ на окружные колебания в 2FSI подсистеме ЛУ ГПА. Проведен анализ влияния параметров газодинамического потока в ЛУ, геометрических, физико-механических и кинематических характеристик ЛУ на окружные колебания в 2FSI подсистеме ЛУ ГПА. Для 2FSI подсистемы ЛУ ГПА получены зависимости: – колебаний давления в газодинамическом зазоре от геометрических и физико-механических характеристик конструкции ЛУ и характеристик рабочего тела ЛУ; – колебаний газодинамической силы от геометрических и физико-механических характеристик ЛУ, характеристик рабочего тела ЛУ и скорости утечки в ЛУ; – параметров радиальных колебаний компонент НДС в ЛУ от геометрических и физико-механических характеристик конструкции ЛУ. Колебания газодинамической силы при низких перепадах давления имеют частоту, которая соответствует частоте вращения ротора на рабочем режиме. При высоких перепадах давления резонансная частота возрастает в 3-4 раза. Это означает, что при снижении перепада давления в ЛУ (соответствующем минимальным скоростям газа в ЛУ в осевом направлении, и следовательно – минимальному зазору и максимальному КПД ступени компрессора) перетекание газа в окружном направлении приводит к усилению амплитуды колебаний газа. По мере увеличения перепада давления, скорость утечки возрастает и можно ожидать снижения вибраций в ЛУ, так как колебания газа в окружном направлении сносятся потоком утечки, но при этом снижается КПД. При этом в конструкции кольца ЛУ наблюдаются колебания перемещений с частотой 1562,5 Гц, что выше других характерных частот в подмоделях. Получены АЧХ давления торможения в газодинамическом зазоре ЛУ и АЧХ суммарных перемещений в кольце ЛУ при различных геометрических, физико-механических характеристиках конструкции и различных характеристиках рабочего тела ЛУ. АЧХ были использованы для анализа процессов и подготовки комплексной модели, учитывающей наряду с другими влияние 2FSI подсистемы ЛУ ГПА. В рамках выполнения работ по исследованию резонансов в 2FSI подсистеме "разгрузочное устройство-поток газа" (РУ-ПГ) ГПА не учитываются: вал, МП, ЛУ, РК и дисбалансы. Учитывается влияние вращения ротора, давления после рабочего колеса и компенсирующего давления. Расчетная модель включает в себя 2 подмодели: домен газодинамического потока; домен РУ. Для построения сеточной модели газодинамического тракта и конструкции использовался встроенный в ANSYS Workbench инструмент Meshing. Общее количество узлов составило 3млн 600тыс узлов. Проведено несколько расчетов: модальный анализ разгрузочного устройства, одноступенчатого и трехступенчатого модельных роторов, односторонний (1FSI) и двусторонний (2FSI) сопряженный анализ РУ. Большое внимание было уделено построению сеточной модели. Время построения модели на ВВК ПНИПУ после отладки расчетной геометрии составляло от 10 до 30 минут в зависимости от количества ячеек. Для построения сеточной модели использовался встроенный в ANSYS Workbench инструмент Meshing, использующий алгоритм ICEM CFD. С использованием программного обеспечения «PowerGraph» получены амплитудно-частотные характеристики колебаний как в газе, так и в конструкции. По результатам модального анализа можно сказать, что при данных рабочих частотах вероятность возникновения резонанса РУ и вала по первой моде минимальна. Но имеются кратные и близкие частоты газовой динамики РК и ЛУ (1500 и 2500Гц), взаимодействие с которыми требует комплексного анализа. Из модального анализа одноступенчатого модельного ротора видно, что частота первой моды собственных колебаний с увеличением частоты вращения уменьшается и при дальнейшем увеличении частоты вращения ротора (выше 7000об/мин) возможно возникновение резонанса. Первая мода собственных колебаний пересекается со второй и более высокими модами вынужденных колебаний, что приводит к повышенным вибрациям. 11-ую гармонику вынужденных колебаний пересекают все линии мод собственных колебаний, что может вызвать усиление вибрации ротора в широком диапазоне частот. Рассчитанная для трехступенчатого ротора с РУ резонансная диаграмма показывает, что частота первой моды собственных колебаний с увеличением частоты вращения уменьшается. При частоте вращение 5160об/мин возможно возникновение резонанса, т.к. собственная частота 87.09Гц близка к частоте вращения ротора 86Гц. Сравнение резонансных диаграмм одно и трехступенчатых роторов показало их подобие, причем собственные частоты трехступенчатого ротора примерно в 1.5 раза ниже собственных частот одноступенчатого. Поэтому наблюдается резонанс частоты первых вынужденных частот уже в рабочей зоне. Поле полного давления для расчетных вариантов, с частотами вращения вентилятора 4000, 5160 и 6000 об/мин. Видно, что на полное давление сильно изменяется в расчетной области. Условно можно разделить зону высокого и низкого давления. В лабиринтном уплотнении полное давление уменьшается с 7.68 до 7.26МПа в зоне высокого давления и с 5.67 до 5.65МПа в зоне низкого давления. Поле полных температур для расчетных вариантов, с частотами вращения вентилятора 4000, 5160 и 6000 об/мин. Видно, что что полная температура не изменяется в расчетной области и составляет 324-330 К. Для выполнения второго этапа проекта подготовлена модель, учитывающая влияние всех 2FSI подсистем. Модель включает в себя следующие подсистемы: вал в магнитных подвесах, РК, ЛУ, РУ, локальные дисбалансы. В РК, ЛУ, РУ имеются газодинамические полости и могут учитываться динамические аэроупругие процессы (2FSI).

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Выполненные работы и полученные научные результаты в 2018 году: 1. Определен диапазон частот вращения 2FSI системы «Вал – Опоры – Рабочее колесо – Лабиринтное уплотнение – Разгрузочное устройство» от 4200 до 6000 об/мин, который является характерным для исследуемой конструкции ротора центробежного компрессора ГПА; 2. Проведена доработка геометрической модели рабочего колеса, учитывающая криволинейные вход и выход в рабочее колесо с учетом возможных отражений в газодинамическом тракте ступени компрессора ГПА. Разработаны 11 отдельных геометрических твердотельных и газодинамических моделей системы «Вал-Опоры-РК-ЛУ-РУ»; 3. Разработанные сеточные модели для системы «Вал-Опоры-РК-ЛУ-РУ» разработаны с использованием специализированных модулей и имели относительно небольшое количество конечных элементов (≈3,1 млн.), что критически важно для последующих 2FSI расчетов, поскольку задача совместного динамического моделирования газа и конструкции в трехмерной постановке крайне ресурсоемка (для некоторых расчетов использовалась вся мощность суперкомпьютера ПНИПУ – 24 Tflops); 4. Использование SST модели турбулентности и применение специализированных модулей ANSYS, позволивших уменьшить количество конечных элементов без потери качества моделей, позволили более корректно описать физическое поведение системы, а так же значительно (на 2 порядка) уменьшить потребное время расчета. При этом продолжительность моделируемого промежутка времени увеличилась в 20 раз, что отразилось на разрешающей способности проведения спектрального анализа. 5. Для возможности проведения 1FSI и 2FSI расчетов выполнена доработка начальных и граничных условий системы «Вал-Опоры-РК-ЛУ-РУ»; 6. Проведен модальный анализ системы «Вал-Опоры-РК-ЛУ-РУ» с учетом одного и трех рабочих колес; 7. Сравнение результатов 1FSI и 2FSI расчетов с учетом газодинамики рабочего колеса для режимов 4200 и 6000 об/мин показало, что работа газодинамических сил изменила знак и колебания стали затухающими, т.е. учет взаимовлияния в системе «Газ-конструкция» позволил уловить эффект «гашения» колебаний, что не было выявлено в рамках 1FSI подхода. По одному из радиальных направлений в точке на лопатке рабочего колеса наблюдается режим резонанса для всех режимов работы ротора ГПА. По остальным направлениям перемещения не превышают допустимое в эксплуатации значение 40 мкм; 8. Сравнение результатов 1FSI и 2FSI расчетов с учетом газодинамики разгрузочного устройства показало, что на всех режимах работа газодинамических сил не изменила знак. Вместе с тем, в 2FSI подходе исчезла высокочастотная составляющая характера изменения работы от времени, амплитуда колебаний уменьшились в 1,5..2 раза. На оси вращения вала осевые перемещения значительно больше радиальных и составляют до 8 мкм. При учете газодинамики рабочего колеса без газодинамики разгрузочного устройства осевые перемещения составляли до 19 мкм, т.е. учет разгрузочного устройства вносит существенный вклад в колебания вала компрессора ГПА. Характер перемещений вблизи лабиринтного уплотнения разгрузочного устройства и в центре торцевого сечения разгрузочного устройства близок, а максимальное значение не превышает 10 мкм, что меньше предельного в эксплуатации 40 мкм; 9. По результатам 2FSI расчетов с учетом газодинамики лабиринтного уплотнения и сравнения их с 1FSI подходом максимальные амплитуды работы газодинамических сил для всех режимов асимптотически возрастают. Это означает, что учет обратного отклика конструкции лабиринтного уплотнения на газодинамический зазор крайне необходим, т.е. моделирование лабиринтного уплотнения необходимо проводить в рамках 2FSI подхода. На покрывном диске рабочего колеса для режима 6000 об/мин осевые перемещения в 3 раза больше, чем на режиме 5160 об/мин, тогда как одна из радиальных составляющих уменьшилась в 1,6 раза. В целом, перемещения на покрывном диске достаточно большие (до 25 мкм), хотя 2FSI расчеты проводились только с учетом газодинамики лабиринтного уплотнения без рабочего колеса; 10. Анализ комплексной 2FSI модели показал, что максимальные амплитуды работы газодинамических сил на рабочем колесе и лабиринтном уплотнении, выделенные из комплексной 2FSI модели системы «Вал-Опоры-РК-ЛУ-РУ», меньше в 15..50 раз, чем максимальные амплитуды работы газодинамических сил рабочего колеса и лабиринтного уплотнения с отдельным учетом газодинамики рабочего колеса / лабиринтного уплотнения. Вместе с тем, максимальные амплитуды работы газодинамических сил на разгрузочном устройстве близки как при отдельном, так и при совместном учете газодинамики разгрузочного устройства. Данный эффект может объясняться уравновешивающим действием разгрузочного устройства. Это показывает, что 2FSI модели с отдельным учетом газодинамики рабочего колеса / разгрузочного устройства / лабиринтного уплотнения не могут заменить комплексную совместную 2FSI постановку. На это указывает и смена знака суммарной работы газодинамических сил на рабочем колесе при 5160 об/мин и на разгрузочном устройстве при 4200 об/мин.; 11. Максимальные осевые перемещения разгрузочного устройства и лабиринтного уплотнения в комплексной совместной 2FSI постановке асимптотически растут на частоте 100 Гц, что близко к собственной частоте 107,8 Гц конструкции «Вал-Опоры-РК-ЛУ-РУ» с тремя рабочими колесами. Вместе с тем, при совместном учете не наблюдается критической зоны колебаний вала на режиме 6000 об/мин, что было выявлено 2FSI постановках, учитывающих газодинамику либо только рабочего колеса, либо разгрузочного устройств, либо лабиринтного уплотнения; 12. Анализ результатов 2FSI расчетов комплексной модели указывает на возможность влияния на колебательные процессы в роторе следующих параметров: диаметр лабиринтного уплотнения, длина проточной части и характерные размеры газодинамических полостей в рабочем колесе и разгрузочном устройстве. Оказалось, что характерным частотам можно поставить в соответствие некоторые геометрические размеры элементов проточного тракта от 0,12 до 1,5 м, что соответствует наружному радиусу рабочего колеса и разгрузочного устройства, диаметру лабиринтного уплотнения и длине проточной части компрессора ГПА; 13. Разработана численно-аналитическая расчетная модель системы «Вал-Опоры-РК-ЛУ-РУ», предполагающая проведение расчета динамического деформирования конструкции «Вал Опоры-РК-ЛУ-РУ» с приложенными газодинамическими силами, полученными в 2FSI расчетах комплексной модели; 14. На данном этапе исследований можно считать, что численно-аналитическая модель не позволяет описывать поведение комплексной системы «Вал-Опоры-РК-ЛУ-РУ». Однако, введение коэффициентов, зависящих от параметров моделей, может позволить улучшить качество расчетной модели и учесть эффекты взаимодействия отдельных элементов системы; 15. Разработана обобщенная инженерная методика моделирования аэродинамической виброустойчивости роторов ГПА, учитывающая совокупность различных кинематических, газодинамических, геометрических и физико-механических параметров для каждой из 2FSI подсистем ротора ГПА; 16. На базе обобщенной инженерной методики разработано Windows-приложение «Аэро РР», позволяющее отображать результаты 2FSI расчетов для системы «Вал-Опоры-РК-ЛУ-РУ» в характерных точках газа и конструкции. Приложение позволяет заменить ресурсоемкие 2FSI расчеты системы «Вал-Опоры-РК-ЛУ-РУ» на удобную в использовании базу данных с интуитивно-понятным интерфейсом для экспресс-оценки виброустойчивости роторов компрессоров ГПА; 17. Выявлены окружные колебания лабиринтного уплотнения, вызванные механическими колебаниями ротора ГПА и влияющие на них. Повышение качества компрессоров ГПА диктует необходимость снижения утечек в лабиринтных уплотнения, что, согласно проведенным исследованиям, может привести к усилению этого эффекта; 18. Учет деформации вала при анализе 2FSI процессов в рабочем колесе позволил обнаружить недопустимые колебания на лопатках рабочего колеса; 19. В ходе 2FSI вычислительных экспериментов обнаружено стабилизирующее влияние разгрузочного устройства на колебания роторной системы. Можно предположить, что при определенных условиях, разгрузочное устройство может усиливать колебания системы.