Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ АЕРОКОСМІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ім. М.Є. ЖУКОВСЬКОГО «ХАРКІВСЬКИЙ АВІАЦІЙНИЙ ІНСТИТУТ»

УДК 621.438.4+62-157

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Метод газодинамічного проектування лопаток робочих коліс високонапірних вісьових компресорних ступенів авіаційних ГТД

Спеціальність 05.05.03 - двигуни та енергетичні установки

Басов Юрій Федорович

Харків - 2010

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі теорії авіаційних двигунів Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут" Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Бойко Людмила Георгіївна, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут", завідувач кафедри теорії авіаційних двигунів.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки і техніки України, лауреат Державної премії України в галузі науки і техніки Мітрахович Михайло Михайлович, Державна компанія “Укрспецекспорт”, головний експерт з питань науки і технологій;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Дихановський Віктор Миколайович, Національна академія оборони України МОУ, докторант. авіаційний газотурбінний двигун

Захист відбудеться «23» квітня 2010 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.062.02 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є.Жуковського "Харківський авіаційний інститут" за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17, ауд. 307 головного корпусу.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут" за адресою :61070, м. Харків, вул.Чкалова, 17

Автореферат розісланий «19» 03 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д64.062.02Л.О. Базима.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Високонапірні вісьові компресорні (вентиляторні) ступені, що забезпечують значення степені підвищення повного тиску, перевищуючі р^*_ст=2.0, у теперішній час знаходять все більш широке застосування в конструкціях авіаційних газотурбінних двигунів (ГТД). Їх використання дозволяє скоротити як вісьові, шляхом зменшення числа ступенів, так і радіальні розміри двигуна. Значення чисел Маха потоку в таких ступенях на вході в колесо в периферійних перетинах у відносному русі досягають М_w1=1.4…1.6, гальмування потоку в міжлопаткових каналах здійснюється в стрибках ущільнення, що в сукупності з проявленням в'язких ефектів приводить до дуже складної структури течії. Дані ступені, окрім високих значень степені підвищення повного тиску, повинні мати прийняті значення коефіцієнта корисної дії (ККД) і запасів газодинамічної стійкості (ГДС), що і визначає складність їх проектування.

Ступені, що мають такі високі напірности, з'явилися відносно недавно, особливості їх побудови та вплив змін геометричних параметрів на структуру течії та їхні характеристики не є дослідженими. Єдиних загальноприйнятих підходів до їх проектування не існує. Відомості, що є у відкритій літературі, не відрізняються повнотою, носять частіше уривчатий характер.

Процес проектування компресорних ступенів може бути представлений як сукупність газодинамічної, міцносної та технологічної складових, кожна з яких потребує створення відповідних методів. Початковим етапом проектування є одержання геометричних параметрів лопаток на підставі газодинамічних розрахунків.

Отже розробка методу газодинамічного проектування високонапірних ступенів вісьових компресорів є актуальним завданням, що має важливе значення для розвитку авіаційного двигунобудування України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційну роботу виконано на кафедрі теорії авіаційних двигунів Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут" в 2005…2009 р. відповідно до планів підприємства ВАТ "Мотор Січ", узгоджених з "Державною комплексною програмою розвитку авіаційної промисловості України до 2010 р.", що затверджена постановою Кабінету міністрів України 12.12.2001. Результати дисертації використано на підприємстві ВАТ "Мотор Січ" при проектуванні високонапірних робочих коліс компресора сучасного авіаційного двигуна.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є створення методу газодинамічного проектування вінців лопаток високонапірних робочих коліс ступенів вісьових компресорів.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі завдання.

1. Провести удосконалення методу перевірочного розрахунку вісьосиметричної до-, транс- і надзвукової течії в ступенях вісьових компресорів шляхом застосування наведених в літературних джерелах узагальнених залежностей для врахування прояву в'язких ефектів при числах Маха потоку на вході M_w1=1.4…1.6 і відповідного комплексу програм, виконати його верифікацію.

2.Провести дослідження особливостей обтікання і сумарних характеристик розроблених раніше високонапірних ступенів, що забезпечують на "розрахунковому" режимі степінь підвищення повного тиску р^*>2.0.

3. Розглянути вплив, що надається нерівномірністю поля параметрів потоку на вході, яка визначається вхідним пристроєм ГТД, на течію у високонапірних компресорних ступенях і їх сумарні характеристики.

4. Провести дослідження впливу зміни геометричних параметрів "опірних" перетинів лопатки і проточної частини тестового високонапірного робочого колеса на сумарні значення газодинамічних параметрів і особливості обтікання.

5. Розробити структурну схему методу газодинамічного проектування високонапірних робочих коліс компресорних ступенів, його базові елементи і встановити взаємозв'язки між ними, сформулювати вимоги до газодинамічних параметрів робочих коліс, що проектуються.

6. Для апробації розробленого методу газодинамічного розрахунку отримати за його допомогою робочі колеса ступенів вісьового компресора, що мають степінь підвищення тиску р^*>2.0.

Об'єкт дослідження - лопаткові вінці робочих коліс високонапірних вісьових компресорних ступенів авіаційних ГТД.

Предмет дослідження - методи газодинамічного проектування лопаток робочих коліс високонапірних вісьових компресорних ступенів.

Методи дослідження - розрахунково-аналітичні методи з застосуванням математичного моделювання газодинамічних процесів у лопаткових вінцях вісьових компресорних ступенів і зіставлення його результатів з експериментальними даними.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному.

1. Отримані нові дані про особливості зміни по режимах сумарних параметрів і осередненої уздовж кроку структури течії в трьох високонапірних вісьових компресорних ступенях, що мають степінь підвищення тиску, яка перевищує р*=2.

2. На прикладі тестового робочого колеса уперше встановлено вплив величини та розташування уздовж хорди максимальної кривизни середньої лінії профілів "опірних" перетинів лопатки, її стрілоподібності, форми втулкового та периферійного меридіональних обводів проточної частини на особливості течії та сумарні газодинамічні параметри.

3. Уперше запропоновано метод газодинамічного проектування робочих коліс вісьових компресорних ступенів, що мають високу степінь підвищення тиску (р*>2), заснований на результатах чисельного аналізу течії в таких ступенях, параметричному дослідженні впливу геометричних параметрів на сумарні характеристики і структуру течії.

4. Проведено удосконалення метода перевірочного аеродинамічного розрахунку вісьових компресорних ступенів шляхом застосування для оцінки проявів в`язкості наведених у літературних джерелах узагальнених залежностей, що розширюють область його використання до чисел Маха у відносному русі на вході, які не перевищують M_w1=1.4…1.6.

Практична значення одержаних отриманих результатів.

1. Розроблений метод дозволяє підвищити якість проектування та отримати геометричні параметри робочих коліс компресорів перспективних авіаційних двигунів, що мають високі значення степені підвищення тиску.

2. Результати параметричного дослідження впливу зміни геометричних параметрів тестового високонапірного лопаткового вінця на його інтегральні газодинамічні параметри і структуру усередненої уздовж кроку течії є цінним матеріалом при проектуванні .

3. Практично значущими є результати чисельного дослідження обтікання і сумарних характеристик 3-х спроектованих раніше робочих коліс високонапірних компресорних ступенів, які дозволяють розширити уявлення про особливості течії в таких об`єктах на різних режимах.

4. Важливими для практики проектування є результати дослідження впливу утворюваної вхідним пристроєм нерівномірності поля параметрів на вході в високонапірний ступінь, наявність якої може стати причиною істотного зниження значень його газодинамічних параметрів та звуження діапазону робочих режимів.

5. Проведене вдосконалення розробленого раніше комплексу програм AxSym, призначеного для розрахунку вісьосиметричної течії та сумарних характеристик вісьових компресорних ступенів, дозволило розширити область його практичного застосування до чисел Маха на вході в робоче колесо в периферійних перетинах у відносному русі M_w=1.4…1.6 і надало можливість його використання як у складі методу проектування, так і незалежно від нього.

6. Розроблений за допомогою запропонованого методу ряд високонапірних надзвукових робочих коліс вентилятора використано при створенні модифікацій конструкції сучасного авіаційного двигуна.

Особистий внесок здобувача. Всі наукові результати дисертаційної роботи, які виносяться на захист, отримані особисто автором. Здобувачем запропоновано метод газодинамічного проектування високонапірних робочих коліс компресорних ступенів і отримані результати його практичного застосування, проведено удосконалення методу перевірочного розрахунку течії в вісьових компресорних ступенях при високих швидкостях потоку на вході і його верифікація, виконано аналіз особливостей обтікання високонапірних компресорних ступенів, досліджено вплив нерівномірного поля параметрів потоку на вході у високонапірний ступінь на його газодинамічні параметри.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати роботи доповідалися, обговорювалися і були позитивно оцінені на II Міжнародній науково-технічній конференції "Авиадвигатели 21 века", м. Москва, Росія, 2005, Міжнародній науково-технічній конференції "Удосконалення турбоустановок методами математичного і фізичного моделювання", м. Харків, Україна, 2006, Міжнародній науково-технічній конференції "Проблеми створення та забезпечення життєвого циклу авіаційної техніки", м. Харків, Україна, 2009, 14 Міжнародному конгресі авіадвигунобудівників, Алушта 2009, Міжнародній науково-технічній конференції "Інтегровані комп`ютерні технології у машинобудуванні", Харків, 2009.

Публікації. Результати дисертаційних досліджень опубліковані в п'яти статтях (чотири в співавторстві, одна - без співавторів), з яких чотири відповідають вимогам ВАК України, у виданнях, що входять в перелік ВАК України, і тезах 2 доповідей.

Структура і об'єм дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних літературних джерел. Дисертаційна робота містить 169 сторінок, з яких 122 сторінки основного тексту, 84 рисунка (35 сторінок), 5 таблиць, список використаних джерел складається зі 112 найменувань (12 сторінок).

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми дослідження, визначена його мета і завдання, представлені наукова новизна, практична значущість отриманих результатів і особистий внесок здобувача.

У першому розділі представлено огляд достатньо великого числа літературних джерел, що містить праці міжнародних конференцій (ASME TURBO EXPO (2001, 2003, 2005, 2007)), робіт представників провідних авіадвигунобудівельних фірм (Rolls- Royce, GE, Volvo-aero та ін.), науково-дослідних інститутів (ЦІАМ ім. П.І. Баранова, ІПМаш ім. А.М. Підгорного НАНУ та ін.), який дозволив виділити основні особливості процесу проектування компресорних ступенів, його газодинамічного аспекту, розглянути розрахункові методи, що використовуються. Показано, що залежно від задачі, яка вирішується, можуть бути застосовані методи різного рівня складності, перевага віддається методам власної розробки, а також комерційним програмним комплексам, що пройшли успішну верифікацію.

На основі проведеного аналізу обґрунтовано наведені раніше мету і завдання дослідження, а також вибрано відповідні до них методи дослідження.

У другому розділі представлено вдосконалений варіант розробленого раніше в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського "ХАІ" методу перевірочного аеродинамічного розрахунку компресорних ступенів, призначений для дослідження течій, що мають числа Маха потоку на вході у лопатковий вінець у відносному русі, які не перевищують M_w1=1.4…1.6.

Нижче наведена система рівнянь, що використовується для опису сталої вісьосиметричної течії стисливого газу в системі координат, що обертається рівномірно з кутовою швидкістю , яка містить рівняння нерозривності, руху в енергетичній формі, стану ідеального газу:

,(1)

,(2)

,(3)

де - вектор відносної швидкості потоку, р, Т, с, S - тиск, температура, густина і питома ентропія робочого тіла, - узагальнена питома ентальпія, U - колова швидкість, ч - коефіцієнт захаращення проточної частини лопатковими вінцями, - сила дії лопаток на потік. Система рівнянь доповнена умовою ортогональности масової сили поверхні струму S₂, , - нормаль до поверхні S₂, і співвідношенням на цій поверхні: . Для врахування дії на потік дисипативных сил, згідно з рядом класичних робіт, введено силу тертя , яка направлена у бік, протилежний вектору відносної швидкості : , і визначена з умови повного переходу роботи сил тертя в тепло:

Для визначення функції струму і густини використані проекції рівняння руху (2) на напрями векторів і . Чисельна дискретизація диференційних рівнянь виконана за допомогою кінцево-різницевих схем другого порядку. Стійкість рахунку при числах забезпечується введенням штучної стисливості (аналогічно Хафез (1983), Косолапов (1989)).

Величина сили , що входить в праву частину рівняння руху, визначається за допомогою узагальнених напівемпіричних залежностей для коефіцієнтів втрат енергії в проточній частині, що представлені як сума профільних, вторинних, торцевих втрат і втрат в радіальному зазорі:

.(4)

Наведені у літературних джерелах результати експериментальних досліджень течії в транс- та надзвукових ступенях, що мають швидкості потоку у відносному русі М_W1=1.4…1.6, свідчать, що на таких режимах хвильові втрати істотно перевершують інші види втрат і значною мірою визначають ККД ступеня.

Течія в надзвукових гратах периферійної частини лопаток робочих коліс високонавантажених ступенів схематично може бути представлена у вигляді системи косих і прямих стрибків ущільнення, що міняє свою структуру залежно від режиму. З нього виходить, що на режимі максимальної витрати на характеристиці замикаючий стрибок розташовується в міжлопатковому каналі поблизу виходу із закритої його частини. Перед гратами внаслідок того, що вхідна кромка має деякий ненульовий радіус, знаходиться відносно слабкий приєднаний косий стрибок. Зменшення витрати і зростання тиску за гратами (протитиску) приводить до зсування канального прямого стрибка у бік вхідних кромок і розташування його поблизу "горловини" міжлопаткового каналу. Обидва стрибки, прямий і приєднаний косий, достатньо слабкі, тому цей режим обтікання супроводжується мінімальними хвильовими втратами. На характеристиці ступеня він близький до режиму максимального ККД. Збільшення протитиску при зменшенні витрати переміщує канальний стрибок проти потоку, де він об'єднується із стрибком на вході. Подальше зростання протитиску приводить до утворення "вибитої головної хвилі", яка визначає високий рівень втрат і утруднює процес запуску ступеня.

Для оцінки величини хвильових втрат, аналогічно ряду робіт, запропоновано в кожному сітковому шарі зображати їх узагальнено як втрати в одному прямому стрибку ущільнення, визначивши число Маха перед стрибком по максимальному значенню усередненої в окружному напрямі відносної швидкості в міжлопатковому каналі:

, (5 )

, =М_{W max}.

Для визначення профільних втрат, за винятком хвильових, використана залежність, Lieblayn (1959):

, ( 6)

де - степінь дифузорності течії.

Розрахунок критичних значень числа М_1с здійснюється за допомогою апроксимуючого співвідношення M_1c=f(W_max/W₁), запропонованого Devis (1970). Відношення швидкостей W_max/W₁ знаходиться з використанням параметра модифікованої степені дифузорності, Schobeiri (1997):

. (7)

Втрати, що спричиняються вторинними течіями, торцевими примежовими шарами і радіальним зазором, оцінюються, як і в початковому варіанті методу.

Для визначення кутів відставання потоку, які введено шляхом корекції форми серединної поверхні струму , застосовано підхід, відповідно до якого їх значення коректуються за допомогою поправок, що залежать від різних чинників:

, (8)

де - кут відставання, що визначається геометрією профілю для швидкостей, менших критичної, Картер (1961), - поправка при надкритичних швидкостях набігаючого потоку, обумовлена відривом потоку з-під стрибка ущільнення на стороні розрідження профілю, Al-Daini (1986), _AVDR - поправка, що визначається зміною товщини струминки току, Hearsey (1994), - поправка до кута відставання, яка враховує вплив просторових ефектів у кінців лопаток, Roberts (1986).

Відповідно до введених залежностей для розрахунку втрат і кутів відставання проведена доробка існуючого методу розрахунку і програмного комплексу (ПК) AxSym, а також верифікація вдосконалених варіантів методу перевірочного розрахунку і ПК AxSym М. Задовільні результати узгодження розрахункових і експериментальних даних, що отримані при дослідженні течії в іншому високонапірному ступені, також наведені в дисертації.

Відносно невеликий досвід проектування високонапірних компресорних ступенів і різні вимоги, щодо них, приводять до необхідності накопичення інформації про вплив зміни геометричних параметрів на структуру течії і сумарні газодинамічні параметри лопаткових вінців.

У третьому розділі наведені результати чисельних досліджень. Чисельні експерименти проведено на тестовому робочому колесі, яке забезпечує на "розрахунковому" режимі степінь підвищення тиску ^*_рк=2.6. Зміна геометричних параметрів одного з перетинів приводить до зміни форми лопатки в цілому. В розділі розглянуто вплив зміни форми середньої лінії профілю периферійного перетину, стрілоподібності лопатки, форми меридіональних обводів проточної частини на втулці і корпусі на структуру течії і газодинамічні параметри лопаткового вінця: степінь підвищення тиску, ККД та запаси стійкості.

Показано, що при незмінних значеннях геометричного кута периферійного перетину на вході в_1г, кута установки, а також незмінних знаку і величині максимальної кривизни середньої лінії профілів К_max зсунення максимального прогину профілю у бік вихідної кромки (від 30% до 60% хорди), дозволяє перемістити максимальне значення числа Маха у відносному русі і, відповідно, стрибок ущільнення углиб міжлопаткового каналу, підвищивши запаси стійкості течії, які визначаються величиною фактора дифузорності в даних гратах і в робочому колесі в цілому. Однак при цьому має місце зростання максимального значення числа Маха в міжлопатковому каналі, що призводить до підвищення значення коефіцієнту втрат.

Крім того, наведено, що при розташуванні максимальної кривизни середньої лінії профілю периферійного перетину в точці х/b=60%, зменшення її величини для цього лопаткового вінця, приводить до зменшення розгону потоку в міжлопатковому каналі і більш рівномірного розподілу М_w уздовж лінії струму і, як наслідок, до зниження величини гідравлічних втрат, підвищення запасів ГДС і зменшення степені підвищення тиску в лопатковому вінці.

В розділі також показано, що використання стрілоподібності лопаток в напрямку протилежному течії приводить до зменшення в порівнянні з початковим варіантом РК значень М_w на вході і його максимального значення в міжлопатковому каналі, що дозволяє підвищити ККД, проте, наслідком збільшення стрілоподібності є зростання кутів натікання на лопатку.

Після корекції положення профілю з метою збереження кута натікання, близького до початкового варіанту, стрибок ущільнення переміщається углиб каналу, степінь диффузорности течії в периферійному перетині знижується, що приводить до збільшення запасів ГДС.

В даному розділі також представлені результати чисельного дослідження впливу зміни форми втулкової і периферійної поверхонь проточної частини на характер течії в робочому колесі.

Приведені вище якісні результати в дисертаційній роботі супроводжуються кількісними оцінками.

У четвертому розділі представлено метод газодинамічного проектування лопаткових вінців робочих коліс високонапірних компресорних ступенів авіаційних ГТД. При заданих вельми жорстких обмеженнях на розмір проточної частини в ступенях, що розглядаються, необхідно отримати високі значення степені підвищення тиску і ККД, забезпечивши високу лобову виробність , а також достатні запаси газодинамічної стійкості.

Проектування лопатки здійснюється з використанням параметричного опису її поверхні, в основу якого покладено моделювання грат профілів в декількох (2…5) "опірних" перетинах на поверхнях, близьких до поверхонь струму, або псевдоповерхнях, утворених подовжніми лініями розрахункової сітки ПК AxSym M.

При побудові грат профілів в різних перетинах по висоті залежно від числа Маха потоку на вході використовуються різні підходи. Для граток, що розташовані поблизу втулкової поверхні, і які мають високі дозвукові або малі надзвукові швидкості потоку на вході, встановлено контроль зміни площ прохідних перетинів і граничних кутів розкриття еквівалентного дифузора. В периферійних перетинах, на вході в які швидкості течії відповідають числам Маха М_1w=1.4...1.6, здійснюється контроль положення стрибка ущільнення і значення числа Маха перед стрибком.

При проектуванні використовуються різні елементи просторового профілювання лопаткових вінців: стрілоподібність (пряма і зворотня), коловий навал, а також можливість варіювання форми обмежуючих проточну частину поверхонь в меридіональній площині.

Проектування починається з формування технічного завдання, яке визначає основні режимні і газодинамічні параметри ступеня: витрату робочого тіла, частоту обертання ротора, степінь підвищення тиску, коефіцієнт корисної дії, запас газодинамічної стійкості. Як початкове наближення використовується базовий ступінь, для вибору якого застосовано банк даних високонапірних ступенів. Далі базовий ступінь за допомогою геометричного моделювання і теорії подібності має бути пристосованим до заданої в технічному завданні проточної частини з подальшою корекцією вхідних кромок лопаток під задане поле параметрів потоку на вході.

Для аналізу впливу різних геометричних факторів, що називаються далі змінними проектування, на структуру течії і сумарні характеристики лопаткового вінця мають бути проведені параметричні дослідження.

Геометрична модель лопатки, що параметризується, включає описи форми середніх ліній і розподілів уздовж хорди товщини профілів "опірних" перетинів, а також лінії центрів ваги перетинів, що визначає їх просторову орієнтацію, яка використовується з метою урахування стрілоподібності і колового навалу лопаток.

Ураховуючи великий вплив, що мають на течію в надзвукових гратах величина та місце розташування максимальної кривизни профілю K_max і x_f, ці два параметри повинні обов'язково контролюватися в процесі пошуку форми поверхні лопатки.

Вектор параметрів проектування може бути представлений як

,(9)

де j - номер опірного перетину, N_л - кількість лопаток. Вектор включає параметри (Дz)_j і (rДц)_j, які визначають зсув лінії центрів ваги j-того перетину в вісьовому і окружному напрямах відносно радіального положення.

При побудові цільової функції проектування враховано зміну трьох газодинамічних параметрів: степені підвищення тиску, ККД лопаткового вінця, а також фактора дифузорності D, що дозволяє оцінити запас ГДС, які можуть роз-глядатися окремо або у вигляді одного узагальненого параметра . Далі необхідно відшукати значення параметрів проектування, які забезпечують екстремальне значення цільової функції:

,(10)

де р^*₀ - задане значення степені підвищення повного тиску на "розрахунковому" режимі, з^* ? - мінімально допустиме на даному режимі значення ізоентропічного ККД лопаткового вінця, D' - максимально допустиме значення фактора дифузорності, А₁, А₂, А₃ - вагові коефіцієнти, які призначають залежно від поставленої задачі проектування і параметрів базового ступеня.

Значення параметрів проектування, що дозволяють з допустимою точністю отримати екстремальні значення функції цілі, названі в даній роботі раціональними, оскільки через складність задачі не завжди можливо досягти оптимальних значень. Отримані раціональні значення параметрів проектування з використанням графічних пакетів реалізуються у вигляді просторової твердотільної моделі лопатки.

Перевірка відповідності геометричних і газодинамічних параметрів отриманого вінця лопатки технічному завданню проводиться з використанням комплексу програм AxSym M. За наявності відхилень від параметрів технічного завдання необхідно провести процедуру доведення вінця лопатки на основі методу розрахунку просторової в'язкої течії.

Враховуючи, що число змінних, що описують поверхні твердотільних моделей лопаткових вінців в процесі їх варіювання, визначає об'єм обчислювальних робіт для знаходження екстремального значення цільової функції, доцільно розглянути можливість його скорочення. Для цього необхідно: звести, по-можливості, до мінімуму кількість "опірних" перетинів, використовувати найпростішу залежність для опису форми середньої лінії, ранжирувати по значущості геометричні фактори і визначити черговість їх варіювання, значення деяких параметрів прийняти відповідно до геометрії лопатки базового вінця , відклавши їх уточнення на доводочну стадію процесу проектування. У випадку, коли базовий варіант робочого колеса істотно відрізняється по параметрах від заданих проектних значень, провести його "ручне" доведення, наприклад, змінивши кути установки профілів "опірних" перетинів, геометричний кут лопатки в_2г, після чого варіювати істотно менше число параметрів.

У п`ятому розділі представлені результати проектування робочих коліс високонапірних компресорних ступенів для різних модифікацій авіаційного ГТД. На підставі завдання на проектування відповідно до структурної схеми методу необхідно здійснити вибір базового варіанту ступеня. Для цього проведено аналіз геометричних параметрів і особливостей профілювання трьох розроблених раніше високонапірних компресорних ступенів, що мають р^* = 2.4, 2.3, 2.05. Виконано чисельний аналіз структури течії в ступенях і їх сумарних характеристик. Показано, що на розрахунковій частоті обертання розглянуті ступені мають високі рівні чисел Маха потоку на вході в робоче колесо у відносному русі, яке змінюється від втулки до периферії в діапазоні: ступінь С-0 -- M_w=0.78…1.59, ступінь С-С -- M_w=0.84…1.61, РК Stage 37 -- M_w=1.1…1.5. Як базове вибрано РК ступеня С-0.

Шляхом розрахункового аналізу показано істотний вплив радіальної нерів-номірності поля параметрів потоку на вході, яка визначається вхідним пристроєм ГТД, на течію в базовому ступені. На високих режимах по частоті обертання відбувається перестроювання потоку в РК, що проявляється в зсуненні стрибка ущільнення у напрямку вхідної кромки, що приводить до появи додаткових втрат, зниженні р^* і ККД , а також істотному звуженні робочого діапазону по витраті.

Відповідно до завдання на проектування для робочого колеса РК-1 повинні бути реалізовані наступні параметри: р_рк^*=2.55, з_рк^*= 0.9, ДКу=12%, а також підвищення витрати в порівнянні з базовим варіантом на 15 %. Ступінь необхідно вписати в задані меридіональні обводи проточної частини.

Для отримання початкового варіанту робочого колеса (РК-0) необхідно вивести базовий лопатковий вінець на заданий рівень витрати. Для цього виконано поворот лопатки навколо своєї осі (лінії центрів ваги перетинів) у бік роз-криття і пристосовування вхідних кромок отриманого вінця до поля параметрів на вході з урахуванням значення потокового кута в₁ і прийнятих значень кута натікання. При побудові РК використано два "опірні" перетини - втулковий та периферійний.

Отримані в процесі проектування раціональні значення геометричних параметрів лопатки РК-1 забезпечують задане значення р_рк^*, збільшення масової витрати на 15 % при істотно більших (на 10 %) в порівнянні з початковим варіантом запасах ГДС, проте значення ККД РК на 1.4 % нижче заданого.

В цілях підвищення ККД під задані проектні значення на базі РК-1 спроектовано робоче колесо РК-2. Воно має підрізану хорду у вихідному перетині (на 15 % біля кінця лопатки), а також відносно невеликий навал в окружному напрямі проти обертання. Таке профілювання лопаток РК-2 дозволило зменшити гідравлічні втрати енергії в периферійній частині лопатки, що привело до збільшення ККД, а також підвищення фактора дифузорності течії в середній частині лопатки і, відповідно, зменшенню запасів ГДС.

Робочі колеса РК-1 і РК-2, призначені для одного варіанту ГТД, дозволяють отримати на "розрахунковому" режимі відповідні проектному завданню значення витрати і степені підвищення тиску, але різні запаси ГДС - 20.1% і 8.8% (проект - 12%) і ККД - 0.886 і 0.895 (проект - 0.9).

Досвід проведених розрахунків, а також зіставлення параметрів РК-1 і РК-2, свідчить про те, що для гранично навантажених робочих коліс, що розглядаються, прагнення до підвищення значення одного з параметрів (р_рк^*, з_рк^*, ДК_у) може приводити до зниження інших. Так, наслідком збільшення ККД РК-2 стало деяке зниження запасів ГДС.

Робоче колесо РК-3 спроектоване для модифікації двигуна, вентилятор якого має наступні параметри в "розрахунковій" точці: р_рк^*=2.25, з_рк^*=0.9, ДК_у =12% при =0.86, де . Як базовий варіант вибрано робоче колесо РК-2, що на даному режимі, який не є для нього "розрахунковим", забезпечує задані значення р* і ККД, але має малі запаси стійкості, оскільки значення фактора дифузорності на периферії РК досить велике і складає D=0.66.

Для збільшення запасів ГДС проведено профілювання, яке дозволило при використанні чотирьох "опірних" перетинів підвищити навантаження на середню частину лопатки і зменшити її у кінців, що привело до переміщення стрибка ущільнення в середину міжлопаткового каналу на більшій частині висоти лопатки, зниженню фактора дифузорності в периферійній частині лопатки, розширенню діапазону стійкої роботи порівняно з базовим варіантом.

Висновки

На підставі проведених досліджень можна зробити наступні висновки.

1 Для використання в процесі проектування виконано удосконалення методу перевірочного розрахунку вісьосиметричної течії в ступені вісьового компресора, який дозволяє виконувати розрахунок сумарних характеристик і радіальної структури осередненої за кроком міжлопаткового каналу течії. В цілях розширення області застосування методу введені залежності для врахування виявів в'язких властивостей течії при числах Маха потоку на вході в колесо М_W1=1.4…1.6.

Проведене зіставлення отриманих розрахунковим і експериментальним шляхом сумарних характеристик і радіальних розподілів параметрів потоку в робочому колесі ступеня Stage 37 і високонапірному ступені вентилятора авіаційного ГТД, які забезпечують на "розрахунковому" режимі відповідно: ^*_рк =2.05, М_W1=1.5 і ^*_ст =2.4, M_w1=1.55, дозволило отримати задовільні результати і зробити висновок про працездатність вдосконаленого варіанту методу розрахунку і відповідного комплексу програм AxSym_M.

2 Виконано аналіз особливостей профілювання розроблених раніше транс- і надзвукових компресорних ступенів, що мають ^*_ст =2.4, 2.25, 2.05, а також розрахункове дослідження структури течії і сумарних характеристик, результати якого використані при побудові методу проектування.

3 Проведене розрахункове дослідження впливу радіальної нерівномірності поля параметрів потоку, що визначається вхідним пристроєм, показало, що її наявність на високих частотах обертання є причиною істотного зниження значень газодинамічних параметрів лопаткового вінця і звуження діапазону його робочих режимів по витраті.

4 Представлена параметризована модель лопаткового вінця , яка дозволяє за допомогою обмеженого числа змінних описати середні лінії профілів "опірних" перетинів, розподіл товщини уздовж них, просторово-орієнтовану лінію центрів ваги профілів для врахування стрілоподібності та колового навала і форму втулкового і периферійного обводів меридіонального перетину проточної частини.

5. Проведено дослідження впливу зміни геометричних параметрів тестового високонапірного робочого колеса на структуру течії і сумарні газодинамічні параметри: степінь підвищення тиску, ККД, запас газодинамічної стійкості. При незмінних значеннях геометричних кутів лопаток на вході розглянутий вплив варіації величини максимальної кривизни середньої лінії профілю і місця її розташування уздовж хорди, стрілоподібності лопатки, а також форми меридіональних обводів проточної частини, отримані якісні і кількісні оцінки. Вибрані найбільш значущі геометричні параметри, які використані при побудові методу проектування.

6 На підставі проведених досліджень запропоновано метод газодинамічного проектування робочих коліс високонапірних компресорних ступенів, що мають надзвукові швидкості у відносному русі на вході, які не перевищують M_W1 ?1.6, степінь підвищення тиску ^*_рк ? 2.6.

Метод є комплексним і ґрунтується на використанні пакетів програм твердотільного моделювання і модифікації поверхонь лопаток, комплексів програм перевірочного газодинамічного розрахунку різного рівня складності.

Профілювання лопаток ведеться на поверхнях, близьких до поверхонь току, що дозволяє проектувати робочі колеса, які мають уздовж подовжньої осі форму проточної частини, що істотно змінюється.

Для різних перетинів по висоті лопатки використані різні підходи до проектування. Для втулкових перетинів, що мають дозвукові або малі надзвукові швидкості потоку на вході, визначальним є контроль зміни площ прохідних перетинів і кутів розкриття еквівалентного дифузора. Для периферійних перетинів, які мають M_W1=1.4…1.6 на "розрахунковому" режимі, здійснюється контроль інтенсивності і місця розташування стрибка ущільнення в міжлопатковому каналі. Для вибору початкового наближення застосовується банк даних компресорних ступенів

7. За допомогою представленого методу газодинамічного проектування отримано робочі колеса високонапірних компресорних ступенів для різних модифікацій авіаційного газотурбінного двигуна. Робочі колеса РК-1 і РК-2, при-значені для одного варіанту ГТД, дозволяють отримати на "розрахунковому" режимі відповідні проектному завданню значення степені підвищення тиску, запаси газодинамічної стійкості складають 20.1% і 8.8% (проект - 12%), ККД - 0.886 і 0.895 (проект - 0.9). Робоче колесо РК-3 забезпечує задані проектні значення р^*, ККД і запасу газодинамічної стійкості.

8 Запропонований метод проектування використовується на авіадвигунобудівному підприємстві ВАТ "Мотор Січ" при розробці високонапірних компресорних ступенів. Отримані з його допомогою лопаткові вінці застосовані в нових модифікаціях компресора сучасного авіаційного ГТД.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1 Басов Ю.Ф. Анализ аэродинамических характеристик и структуры течения в трансзвуковой компрессорной ступени/ Ю.Ф. Басов, А.Е. Демин, Ю.П. Максимов// Авиационно-космическая техника и технология. - 2005. -№.2/18 - С. 37-41

2 Басов Ю.Ф. Влияние поля параметров на входе на течение в ступени осевого компрессора / Ю.Ф. Басов// Авиационно-космическая техника и технология. - 2006.- №1/27.- С. 64-67

3 Басов Ю.Ф. Совершенствование метода расчета течения в высоконапорной компрессорной ступени / Ю.Ф. Басов, Л.Г.Бойко, А.Е. Демин// Авиационно-космическая техника и технология. - 2009.- №2/59.- С. 63-68

4 Басов Ю.Ф. Расчетное исследование течения в сверхзвуковом рабочем колесе / Ю.Ф. Басов, Н.В. Пижанкова// Авиационно-космическая техника и технология. - 2009.- №2/59.- С. 77-81

5. Басов Ю.Ф. Газодинамическое проектирование рабочих колес высоконапорных компрессорных ступеней / Ю.Ф. Басов, А.Е. Демин, Н.В. Пижанкова// Вестник двигателестроения. - 2009.- №2.- С. 23-28

Анотація

Басов Ю.Ф. Метод газодинамічного проектування лопаток робочих коліс високонапірних вісьових компресорних ступенів авіаційних ГТД. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.03 - двигуни та енергетичні установки. - Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського "ХАІ", Харків, 2010.

Дисертація присвячена розробці метода газодинамічного проектування високонапірних робочих коліс вісьових компресорних ступенів, які в теперішній час отримують розповсюдження в конструкціях авіаційних ГТД.

Запропонований метод призначений для проектування робочих коліс, які мають надзвукові відносні швидкості на вході, що не перевищують у периферійних перетинах M_w1=1.6, степінь підвищення тиску р_рк^* ? 2.6.

При побудові методу застосовується розроблена параметрична модель лопаткового вінця. Цільова функція проектування дозволяє контролювати на заданому режимі по витраті і частоті обертання степінь підвищення тиску, ККД, запас газодинамічної стійкості.

Для використання при проектуванні проведено удосконалення розробленого раніше методу перевірочного розрахунку вісьосиметричних до-, транс- і надзвукових течій в компресорних ступенях. Проведена верифікація відповідного комплексу програм, показано задовільне узгодження з результатами експериментальних досліджень і розрахунком просторової течії.

В результаті практичного застосування запропонованого методу спроектовані вінці лопаток високонапірних робочих коліс, призначених для різних модифікацій сучасного авіаційного ГТД.

Ключові слова: високонапірне робоче колесо, параметричний опис лопатки, газодинамічне проектування, степінь підвищення тиску, коефіцієнт корисної дії, запаси газодинамічної стійкості.

Аннотация

Басов Ю.Ф. Метод газодинамического проектирования лопаток рабочих колес высоконапорных осевых компрессорных ступеней авиационных ГТД. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.03 - двигатели и энергетические установки.- Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского "ХАИ", Харьков, 2010.

Диссертация посвящена разработке метода газодинамического проектирования рабочих колес высоконапорных осевых компрессорных ступеней, которые в настоящее время получают распространение в конструкциях авиационных ГТД.

Метод предназначен для проектирования рабочих колес, имеющих сверхзвуковые относительные скорости в периферийных сечениях на входе, не превышаюшие M_w1? 1.6, дозвуковую меридиональную составляющую, степень повышения давления р_рк^* ? 2.6.

Построение пера лопатки осуществляется с помощью параметризованной модели, позволяющей с использованием ограниченного числа переменных описать форму средней линии профилей "опорных" сечений, распределения толщин профилей и пространственно-ориентированную форму линии центров тяжести для учета стреловидности и окружного навала.

Целевая функция проектирования позволяет контролировать на заданном режиме по расходу и частоте вращения степень повышения давления, КПД, запас газодинамической устойчивости.

Для использования при проектировании проведено усовершенствование разработанного ранее метода поверочного расчета до-, транс- и сверхзвуковых осесимметричных течений в компрессорных ступенях и соответствующего комплекса программ, область применения которых расширена путем введения обобщенных зависимостей для учета проявления вязких эффектов при скоростях потока на входе M_w1=1.4…1.6. Проведенная верификация усовершенствованного ПК AxSym_M на примере двух высоконапорных ступеней показала удовлетворительное согласование результатов расчета с опытными данными, а также результатами расчета пространственного вязкого течения с использованием ПК ANSYS-CFX.

С целью выяснения взаимовлияния геометрических и газодинамических параметров лопаточных венцов проведено исследование особенностей обтекания трех спроектированных ранее высоконапорных лопаточных венцов. Результаты параметрического исследования влияния места расположения и максимального значения кривизны средней линии профилей, стреловидности и формы меридиональных обводов проточной части тестового РК использованы при построении метода проектирования.

Результатом практического применения предложенного метода явилось проектирование лопаточных венцов высоконапорных (р_рк^*= 2.25…2.55) рабочих колес, предназначенных для различных модификаций современного авиационного ГТД.

Ключевые слова: высоконапорное рабочее колесо, параметрическое описание лопатки, газодинамическое проектирование, степень повышения давления, коєффициент полезного действия, запасы газодинамической устойчивости.

Abstract

Basov Yu. F. Gas Turbine Engines High-Loaded Axial Compressor Stages Rotor Blades Gas-Dynamic Design Method - The manuscript.

Thesis for scientific degree of the Candidate of Sciences (Engineering) on the specialty 05.05.03 - Engines and Power Plants.- National Aerospace University named by Zhukovsky "Kharkov Aviation Institute", Kharkov, 2010.

The thesis deals with axial compressor stage high loaded rotors gas dynamic design method development. These stages are widely used now in modern aviation GTE construction

Proposed method is intended for gasdynamic design of rotor blade with supersonic relative entrance flow speeds, M_w1 ? 1.6, subsonic meridional velocity component and rotor pressure ratio р_rot^* ? 2.6.

Rotor blade row parameter-oriented model for the method construction is used. The design target function allows to control pressure ratio, efficiency, gas-dynamic stability margin for the regime of airflow and rotor rotational speed.

Compressor stages axisymmetric sub-, trans- and supersonic flows prediction method is improved for using at the design process. Software system verification is conducted; the satisfactory correspondence with experimental data and 3D flow computations results is shown.

The design of high-pressure rotor sets for different modifications of modern aviation GTE is a result of the offered method practical application.

Keywords: high loaded rotor, blade parameter-oriented description, gasdynamic design, pressure ratio, efficiency, gas-dynamic stability margin.

Размещено на Allbest.ru