Трехмерная модель полностью воспроизводит пространственную форму межлопаточного канала (рисунок 1.56). Изменение параметров потока в ее рамках учитывается в направлении всех трех осей. Ее использование позволяет оценить влияние пространственных эффектов на рабочий процесс в ступени. В частности, можно учесть влияние меридиональной формы проточной части, наклона лопаток и т.п.
Рисунок 1.56 – Трехмерная расчетная модель осевой многоступенчатой турбины
Очевидно, что использование трехмерной модели при проектировании затруднено из-за своей сложности. Поэтому часто пользуются ее упрощенными вариантами. Например, так называемой «квазитрехмерной моделью». Она подразумевает, что течение в межлопаточном канале слоистое cr = 0. То есть каждая частица движется внутри своего слоя и не переходит ни в слои, расположенные на большем радиусе, ни в слои на нижерасположенном радиусе.
Уравнение слоистого течения имеет вид:
Из него следует, что слоистое течение можно реализовать только при наличии радиального градиента давления.
До недавнего времени применение трехмерных моделей было ограничено из-за того, что расчетные соотношения для них чрезмерно сложны при использования в проектировочной практике. Однако произошедший в последние несколько десятков лет резкий скачек возможностей вычислительной техники позволил снять эту проблему. Оно повлекло за собой развитие вычислительной газовой динамики (CFD). Внедрение CFD методов в процесс проектирования позволило в значительной мере повысить точность проектировочных расчетов. Развитие компьютерной техники и совершенствование CFD методов показано на рисунке 1.57 [3]. Например, в 1991 году для расчета течения через три ЛВ турбины (СА-РК-СА) требовалось 73 года компьютерного времени. К концу девяностых время данного расчета сократилось до четырех дней. На этом же рисунке показаны основные события, которые привели к достижению такого результата.
Рисунок 1.57 – Изменение сроков расчетного исследования течения через три лопаточных венца осевой турбины по мере развития методов вычислительной газовой динамики и компьютерной техники [3]
Возможности CFD методов на данный момент таковы, что позволяют исследовать влияние нестационарных процессов на течение в целом каскаде многоступенчатой турбины в относительно небольшие сроки. Поскольку в основе вычислительной газовой динамики лежат уравнения течения газа с минимальными допущениями (система Навье – Стокса), то их применение позволило заменить большую часть экспериментальных исследований расчетом. Это существенно сократило число потребных для доводки турбины и двигателя в целом испытаний, и как следствие, сократило сроки и стоимость создания нового изделия.
Существенно меньшее время и стоимость получения расчетных данных расчета по сравнению с экспериментом позволяет рассмотреть большее число вариантов геометрии изделия, что дает возможность найти более эффективные формы ПЧ. Кроме того, следует отметить гораздо большую информативность результатов расчетов по сравнению с экспериментом. CFD методы позволяют наиболее точно, по сравнению с другими расчетными методами, описать явления трехмерного потока в межлопаточном канале, предсказывать места отрывов, структуру вторичных течений и находить углы выхода потока из ЛВ. В дальнейшем полученная информация используется для уточнения формы нижестоящих по потоку ЛВ. Методы вычислительной газовой динамики не имеют расчетных аналогов при оценке нестационарных явлений в межлопаточных каналах на стадии проекта. Кроме того, большая часть современных CFD программ способна передавать результаты газодинамических расчетов (поля давлений и температур, в том числе и нестационарные) в программы прочностного анализа.
Тем не менее, не стоит считать CFD волшебным средством, способным автоматически получить максимально эффективную турбину. Грамотные проектировщики относятся к вычислительной газовой динамике с известной долей осторожности, критично оценивая полученные результаты. На это есть несколько причин. Во-первых, в CFD решается система уравнений Навье - Стокса, которая хотя и имеет минимальные допущения, но все равно остается всего лишь системой дифференциальных уравнений, отражающих наше представление о реальном физическом процессе. Следовательно, получаемые результаты – это решение дифференциальных уравнений, которые сильно зависят от принятых граничных условий и допущений. Поэтому результат численного исследования существенным образом зависит от достоверности данных, применяемых в качестве граничных условий, и квалификации расчетчика. Во-вторых, несмотря на свою прогрессивность, численное решение уравнений Навье – Стокса еще недостаточно развито. Применяемые программные коды проверены и дают неплохие результаты на тестовых задачах, но не обязательно дадут хороший результат в других условиях. Из-за несовершенства применяемых моделей турбулентности CFD программы не могут в настоящий момент правильно предсказывать ламинарнотурбулентный переход и соответственно корректно описывать потери. В-третьих, CFD методы выполняют поверочный расчет в спроектированном канале. Другими словами для проведения расчета нужна исходная геометрия, которую могут дать только традиционные методы проектирования.
Как отмечалось ранее, получаемые в CFD расчете значения параметров потока могут значительно по величине отличаться от результатов испытаний. Тем не менее, современные CFD коды позволяют предсказывать изменения параметров потока и интегральных параметры лопаточные машины при варьировании режимными и геометрическими факторам с точностью до погрешности эксперимента. Поля распределения параметров в межлопаточных каналах качественно также хорошо согласуются с данными продувок на стенде и с существующими современными физическими представлениями [13]. Отсюда можно сделать вывод, что место CFD в процессе проектирования – качественная и количественная оценка влияния изменения различных параметров на газодинамическую эффективность ЛМ и картину течения в ней и поиск вариантов проектирования, обеспечивающих наилучшую структуру потока. Это в свою очередь позволит заменить большую часть экспериментов расчетом и соответственно сократить время и материальные ресурсы, необходимые для доводки.
Таким образом, CFD это мощное средство в руках грамотного проектировщика, способное существенно расширить его представления о физической картине процесса, имеющего место в конкретном изделии, рассчитать течение в нем с минимальными допущениями, рассмотреть большее число вариантов исполнения геометрии в относительно короткие сроки и найти пути существенного повышения эффективности, многократно сократить потребное число испытаний, уменьшить временные и материальные затраты. Но следует помнить, что результаты CFD расчетов – это решение дифференциальных уравнений, отражающих наше сегодняшнее представление о физике процесса. Поэтому эксперимент навсегда останется окончательной инстанцией по проверке правильности принятых проектных решений и подтверждению достигнутых в расчете результатов.