Геометричне моделювання елементів проточних частин діагональних турбомашин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Київський національний університет будівництва і архітектури

УДК 515.2

Геометричне моделювання елементів проточних частин діагональних турбомашин

Спеціальність 05.01.01 - Прикладна геометрія, інженерна графіка

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Кукліна Ольга Юріївна

Київ 2003

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Українському державному морському технічному університеті імені адмірала Макарова Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Борисенко Валерій Дмитрович, завідувач кафедри інженерної графіки Українського державного морського технічного університету (м. Миколаїв)

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Корчинський Володимир Михайлович, завідувач кафедри автоматизації проектування Дніпропетровського національного університету;

кандидат технічних наук, доцент Ніколаєнко Тетяна Петрівна, доцент кафедри нарисної геометрії, інженерної та машинної графіки Київського національного університету будівництва і архітектури.

Провідна установа:

Таврійська державна агротехнічна академія, кафедра прикладної математики і обчислювальної техніки Міністерства аграрної політики України (м. Мелітополь)

Захист відбудеться “ 29 ” жовтня 2003р. о 13.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.056.06 у Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою: 03037, Київ-37, Повітрофлотський проспект, 31.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, Київ-37, Повітрофлотський проспект, 31.

Автореферат розісланий “ 27 ” вересня 2003р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д26.056.06 Плоский В.О.

діагональна турбіна геометричне моделювання

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Розвиток енергетики нашої країни ставить особливі вимоги до підвищення техніко-економічних показників турбомашин (ТМ) різного цільового призначення та конструктивного оформлення, зниження їх масогабаритних характеристик і металоємності, поліпшення екологічних показників, зменшення витрат на виготовлення. Тому на практиці часто виникає необхідність у застосуванні сучасних підходів до подання обводів і поверхонь, які формують течію робочої речовини, а отже впливають на розподіл параметрів потоку.

Дисертаційна робота присвячена розробці методів, алгоритмів і програм геометричного моделювання робочих коліс (РК), підвідних пристроїв та соплових апаратів (СА), які входять до складу турбін діагонального конструктивного оформлення, формуванню геометричної моделі (ГМ) аеродинамічних обводів лопаток, профілів меридіональних перерізів РК, поверхонь, що обмежують течію робочої речовини вздовж тракту турбіни.

Актуальність теми. Підвищення ефективності діагональних турбін (ДТ) у значній мірі визначається ступенем досконалості геометрії обводів і поверхонь їх лопатних апаратів (ЛА). У зв'язку з цим постановка і розв'язання задач геометричного моделювання рухомих і нерухомих елементів проточних частин ДТ є важливою науково-технічною проблемою.

Останніми роками аналітична, прикладна та обчислювальна геометрія, комп'ютерна графіка досягли значних успіхів у плані аналітичного подання обводів і поверхонь складних деталей різних галузей техніки, а також їх візуалізації на екрані монітора ПЕОМ. Застосування досягнень прикладної геометрії та комп'ютерної графіки до геометричного моделювання елементів проточних частин ДТ надає можливість розкрити додаткові резерви підвищення їх ефективності.

Таким чином, розв'язання поставленої в дисертаційній роботі задачі вдосконалення методів геометричного моделювання рухомих і нерухомих елементів проточних частин ДТ є актуальним, воно має не тільки теоретичне, але й практичне значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до планів науково-дослідних робіт кафедри інженерної графіки Українського державного морського технічного університету. Базовими роботами для підготовки та подання дисертаційної роботи є науково-дослідні роботи за держбюджетною темою №1346 та за договорами творчої співпраці №1412, №1413 з НВП "Машпроект", №1415 з ВАТ "Тайфун", №1456 з АТВТ "Завод "Екватор", №1459 з АТВТ "Первомайськдизельмаш", №1463 з ВО "Зоря".

Мета дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка методів, алгоритмів і програм геометричного моделювання рухомих і нерухомих елементів проточних частин ДТ та їх візуалізації на екрані монітора ПЕОМ із застосуванням сучасних досягнень прикладної геометрії та комп'ютерної графіки в області аналітичного подання кривих і поверхонь складних технічних форм.

Задачі дослідження. Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати такі теоретичні та прикладні задачі геометричного моделювання:

Розвинути методи геометричного моделювання кривих ліній і поверхонь, які дозволяють враховувати геометричні особливості та диференціальні характеристики об'єктів, що моделюються;

Удосконалити методи геометричного моделювання проточної частини ДТ із забезпеченням керування формою меридіонального перерізу РК та профілів його лопаток;

Розробити метод профілювання плоских перерізів соплових і робочих лопаток осьового типу, що формують подальші ступені проточної частини ДТ;

Розвинути методи геометричного моделювання нерухомих елементів проточної частини ДТ, пристроїв підведення робочої речовини, соплових лопаток;

Розробити алгоритми і програми геометричного моделювання елементів

проточних частин ДТ та візуалізації отриманих геометричних результатів на ПЕОМ;

Проаналізувати вплив геометричних параметрів елементів проточних частин ДТ на форму їх аеродинамічних обводів і поверхонь;

Впровадити результати роботи в практику проектування і створення ТМ діагонального конструктивного оформлення.

Методи дослідження. Розв'язання поставлених у дисертаційній роботі задач здійснюється на основі методів аналітичної, нарисної, диференціальної, обчислювальної геометрії, методів прикладного програмування та комп'ютерної графіки. Моделювання лопаток робочих коліс ДТ здійснюється розподілом симетричного аеродинамічного профілю, обводи якого описуються рівнянням четвертого степеня, вздовж середньої лінії профілю лопатки, яка подається параболою загального вигляду, моделювання меридіональних обводів проводиться з використанням В-сплайнів. Профілювання лопаток СА здійснюється із застосуванням конформного перетворення прямої осьової решітки на решітку, що будується на конічній поверхні. Моделювання пристроїв підведення робочої речовини включає моделювання спіральної камери із застосуванням логарифмічної спіралі та формування меридіональних перерізів із застосуванням овалів Ламе.

Теоретичною базою для проведення досліджень послужили роботи:

- в галузі конструювання поверхонь складних технічних форм та формування їх математичних моделей: Ваніна В.В., Власюк Г.Г., Де Бора К., Ковальова С.М., Корчинського В.М., Котова І.І., Михайленка В.Є., Мартина Є.В., Найдиша А.В., Найдиша В.М., Обухової В.С., Павлова А.В., Пала Т.К., Підгорного О.Л., Скидана І.А., Фокса А., Пратта М., Якуніна В.І. та їх учнів;

- в галузі геометричного моделювання та комп'ютерної графіки: Аммерала Л., Бадаєва Ю.І., Без'є П., Гардана І., Гилоя В., Куценка Л.М., Михайленка В.Є., Найдиша В.М., Райана Д., Фролова С.А. та ін.;

- в галузі проектування елементів проточних частин турбомашин: Абіанця В.Х., Аронова Б.М., Бойка А.В., Борисенка В.Д., Зарянкіна А.Є., Копелева С.З., Левенберга В.Д., Лившіця С.П., Митрохина В.Т., Розенберга Г.Ш., Селезньова К.П., Холщевникова К.В., Хорлокка Дж.Х., Шерстюка А.Н., Шубенка-Шубіна Л.А. та ін.;

- в галузі чисельних методів і їх додатків до формоутворення математичних моделей у прикладній геометрії: Алберга Дж., Зав'ялова Ю.С., Мудрова А.Є., Роджерса Д., Адамса Дж., Фокса А., Форсайта Дж., Малькольма М., Шенена П., Шехтера А., Шубіна М.Б. та ін.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше одержані ГМ елементів проточних частин турбін діагонального типу, які дозволяють підвищити ефективні показники ступенів завдяки поліпшенню геометрії обводів і поверхонь їх ЛА;

2. Метод геометричного моделювання робочих лопаток ДТ із застосуванням лінійчатих гвинтових поверхонь змінного кроку;

3. Метод профілювання лопаток ДТ з невисоким ступенем діагональності з використанням симетричного аеродинамічного профілю, який розподіляється вздовж середньої лінії, що подається параболою загального вигляду;

4. Метод геометричного моделювання меридіональних обводів РК ДТ із застосуванням В-сплайнів, положення вершин характеристичної ламаної яких знаходяться за умови забезпечення оптимального розподілу радіусів кривини обводів, що генеруються;

5. Метод профілювання нерухомих елементів проточних частин ДТ (підвідних пристроїв, соплових лопаток) у широкому діапазоні варіювання їх геометричних параметрів;

6. Результати досліджень впливу геометричних параметрів проточних частин ДТ на форму обводів і поверхонь, що їх утворюють.

Практичне значення одержаних результатів. Практичну цінність роботи складає ефективний апарат (геометричні моделі, алгоритми, програми розрахунків та візуалізації отриманих результатів на екрані монітору ПЕОМ), розроблений для розв'язання комплексу задач геометричного моделювання елементів проточних частин ДТ. Програмне забезпечення передане НВП "Машпроект", ВО "Зоря", ДП НВКТ "Зоря"-"Машпроект", ЦНДіПІ "Тайфун", АТВТ "Завод "Екватор" (м Миколаїв), АТВТ "Первомайськдизельмаш" (м. Первомайськ Миколаївської області).

Вірогідність одержаних результатів підтверджується коректністю теоретичного аналізу, зіставленням отриманих геометричних результатів з даними, що опубліковані в літературі, результатами геометричного моделювання окремих елементів проточних частин ДТ (лопаток СА і РК, меридіональних обводів коліс), практичною реалізацією запропонованих методів і алгоритмів у вигляді програмного забезпечення для ПЕОМ у середовищі Borland Pascal 7.0.

Впровадження одержаних результатів. Впровадження результатів роботи реалізовано в плані виконання держбюджетної науково-дослідної теми та договорів творчої співпраці з підприємствами галузі. Результати роботи передані організаціям НВП "Машпроект", ВО "Зоря", ДП НВКТ "Зоря"- "Машпроект", ЦНДіПІ "Тайфун", АТВТ "Завод "Екватор" (м. Миколаїв), АТ ВТ "Первомайськдизельмаш" (м. Первомайськ) і використовуються при проектуванні перспективних і удосконалюванні існуючих зразків діагональних ТМ різного цільового призначення. Результати досліджень впроваджені в навчальний процес УДМТУ при виконанні курсових і дипломних проектів.

Особистий внесок здобувача. Особисто автором запропоновані методи геометричного моделювання аеродинамічних обводів і поверхонь ЛА проточних частин ДТ. На базі яких розроблені алгоритми та програми геометричного моделювання ЛА статора і ротора ДТ. Конкретний внесок здобувача у наукових статтях із співавторами складається у розв'язанні поставленої задачі, її формалізації, розробці програмного забезпечення.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу УДМТУ (м. Миколаїв, 2000, 2002 рр.); міжнародних науково-практичних конференціях "Сучасні проблеми геометричного моделювання" (м. Харків, 1998, 2001 рр.); п'ятій міжнародній науково-практичній конференції "Сучасні проблеми геометричного моделювання" (м. Мелітополь, 1998 р.); міжнародній науково-практичній конференції "Сучасні проблеми геометричного моделювання" (м. Донецьк, 2000 р.); третій міжнародній науково-технічній конференції "Проблеми енергозбереження і екології в суднобудуванні" (м. Миколаїв, 2002 р.).

Публікації. За темою дисертаційних досліджень опубліковано 15 робіт, з яких 11 статей у міжвузівських та вузівських збірниках наукових праць, визнаних ВАК України фаховими.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел із 191 найменування і додатків. Загальний її обсяг 196 сторінок, з яких 152 сторінки основного тексту, 54 рисунка, 10 таблиць.

ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ містить загальну характеристику роботи. Обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету та задачі досліджень. Показано наукову новизну і практичну цінність одержаних результатів.

У першому розділі розглянуто характеристику об'єкту дослідження, визначені галузі застосування та шляхи удосконалення. Наведено огляд сучасного стану проблеми геометричного моделювання різноманітних кривих ліній і поверхонь, що застосовуються при конструюванні технічних об'єктів складної форми. Значна увага приділена джерелам, де висвітлюються методи профілювання тих чи інших елементів проточних частин турбін осьового й радіально-осьового конструктивного оформлення.

З приведеного аналізу стану проблеми зроблено висновок, що ДТ менш досліджені ніж інші типи турбін, зокрема, радіально-осьові. В літературі майже відсутні відомості щодо геометричного моделювання ЛА цих турбін. Це утрудняє процес проектування і створення діагональних ТМ із високими аеродинамічними характеристиками їх проточних частин та широким діапазоном варіювання їх геометричних параметрів.

На рис.1 подано один із варіантів компонування турбіни діагонального типу, яка застосовується у якості першого ступеню, із ступенем осьової турбіни. Застосування такої схеми дозволяє не тільки підвищити ККД установки, але й знизити масогабаритні показники завдяки зменшенню загальної кількості ступенів, що пояснюється можливістю спрацьовування значно більшого теплоперепаду в діагональному ступені і зменшенням його величини для подальших осьових ступенів.

Обґрунтовано напрямок дослідження, сформульовані основні ідеї, покладені в його основу, визначено теоретичну базу та аналітичний апарат дослідження.

У другому розділі розглянуто методи геометричного моделювання РК діагонального типу. Запропонована ГМ містить блоки геометричного моделювання меридіональних границь колеса та формування робочих поверхонь лопаток. Скелетні лінії профілів лопаток ДТ моделюються із застосуванням гвинтових лінійчатих поверхонь змінного кроку. РК ДТ подане твердотільною моделлю, побудованою засобами AutoCAD на базі script-файлу, який генерується програмою моделювання.

Лопатку РК ДТ формують лінійчатими поверхнями, твірна якої переміщується вздовж осі колеса та профілю, побудованого на розгортці циліндричної поверхні зовнішнього радіуса колеса.

Реальний профіль лопатки утворюється розподілом його товщини вздовж скелетної лінії. Частина робочої лопатки, що відгинається, формується обкаткою профілю твірними і описується лінійчатими поверхнями. Визначниками цих поверхонь є опукла і угнута частини профілю та дві прямі, що паралельні осі обертання колеса.

Отримані в результаті газодинамічних розрахунків турбіни висоти лопаток, радіус РК, радіуси зовнішнього і внутрішнього обводів меридіонального перерізу, ширина колеса застосовуються для знаходження координат крайніх точок меридіональних обводів робочого колеса (рис.2). Для подання меридіонального обводу РК застосовано В-сплайни:

,

де - вершини характеристичної ламаної;

n - кількість вершин ламаної зменшена на одиницю.

Для побудови В-сплайна необхідно мати координати вершин ламаної. З достатньою надійністю можна прогнозувати положення трьох вершин ламаної лінії. Окрім двох крайніх точок, відносно просто визначаються координати точки П, яка знаходиться на перетині дотичних до В-сплайну (рис.3). Розроблено алгоритм збільшення вузлових точок. Пропонується визначити положення п'яти вершин на характеристичній ламаній, тому, послідовно додамо дві проміжні вершини. Спочатку додається вершина , вершина П зміщується в точку :

де - параметр, що відповідає точці .

Далі додається вершина P₂, тоді вершини і перемістяться відповідно в точки P₄ і P₃:

де - параметр, що відповідає точці P₂.

Після визначення положення вершин ламаної лінії обчислюють координати точок В-сплайн кривої, що подає меридіональний обвід РК. Координати точок кривої обчислюються за параметричними виразами

де , - абсциси і ординати вузлових точок ламаної лінії.

Коефіцієнти , і k знайдено за умови забезпечення задовільного розподілу кривини кривої обводу.

Результати геометричного моделювання меридіонального перерізу РК ДТ для різних значень коефіцієнтів , і k внутрішнього обводу і постійних їх величинах для зовнішнього обводу колеса наведені на рис.4.

Лопатки колеса ДТ мають складну форму, яка визначається профілем скелетної лінії. Ця лінія будується із застосуванням лінійчатих гвинтових поверхонь змінного кроку. Сегмент цієї кривої подається таким виразом:

В цій залежності коефіцієнти a, b i c та показник степеню m є невідомими величинами, вони знаходяться із застосуванням вибраного закону закручення лопатки по висоті.

Для отримання тілесного профілю задають товщини вхідної ₁ і вихідної ₂ кромок, а також закон розподілу її відносної величини вздовж скелетної лінії, який приймається як квадратичний. Рис.5 демонструє просторову твердотільну модель РК ДТ, побудовану на базі запропонованого методу. На рис.6 показані головний вигляд колеса та його вигляд зліва у твердотільному, за термінологією AutoCAD, поданні.

У третьому розділі подані методи геометричного моделювання лопаток ДТ з невисоким ступенем діагональності і профілів лопаток осьових ступенів, які входять до конструкцій турбін діагонального типу.

Скелетні лінії профілів лопаток ДТ з невисоким ступенем діагональності моделюються із застосуванням параболи загального вигляду, рівняння якої записується таким чином:

, (1)

де х і у - декартові координати точки;

- деякі константи, які підлягають визначенню за умови забезпечення заданих кутів входу і виходу потоку.

Систему координат вибрано таким чином, щоб вхідна кромка профілю мала координати (0,0), а вихідна (1,0). Дотична до кривої у початковій точці має нахил , а на виході - , де - кут установки профілю у решітці.

Для вхідної кромки з координатами (0,0) матимемо:

.

Для вихідної кромки з координатами (1,0) отримаємо

.

З урахуванням залежності для вхідної кромки матимемо:

.

Похідна від неявної функції (1) визначиться виразом

.

Порівнявши цю похідну з її значенням на вхідній кромці, після перетворень визначимо вираз для знаходження постійної :

.

З урахуванням цього виразу після перетворень матимемо

.



Розгляд точки максимального прогину кривої, координати якої позначені як , призводить до системи з двох рівнянь:

Із другого рівняння цієї системи випливає

. (2)

Після перетворень матимемо:

.

Подальші перетворення виразу (2) із застосуванням наведених вище рівнянь, призведуть до квадратного рівняння відносно

,

Де

;

;

.

Тоді,



.

Таким чином, отримані вирази для знаходження невідомих коефіцієнтів рівняння параболи загального вигляду (1). Порядок їх визначення такий. Спочатку за відомими значеннями кутів входу і виходу потоку та координати розташування стрілки прогину знаходиться кут установки профілю . Далі знаходять величину кута , та константу , потім розраховують коефіцієнти і , відповідно. Це у сукупності дозволяє описати параболу (1), яка відповідає заданим умовам моделювання скелетної лінії профілю лопатки.

Профіль лопатки РК формують розподілом симетричного аеродинамічного профілю вздовж визначеної середньої лінії, обводи якого описуються двома поліноміальними кривими третього і четвертого степенів, відповідно, для вхідної та вихідної частин профілю:

(3)

(4)

Спряження обох кривих у точці максимальної товщини реалізовано з дотримуванням рівності значень функцій, перших та других похідних обох кривих, а також із застосуванням обставини, що дотична до вихідної кромки профілю нахилена до горизонтальної осі під кутом . Отримана система алгебраїчних рівнянь для знаходження семи невідомих коефіцієнтів рівнянь (3)-(4) у вигляді:



Лопатки ДТ формують сукупністю профілів, які будуються на відповідних конічних поверхнях. На базі розробленого метода побудовано ортогональні проекції та просторову твердотільну модель РК ДТ (рис.7), сформовану у середовищі AutoCAD за допомогою script-файлу. Цей файл генерується в процесі виконання розрахунків колеса, зв'язаних з його геометричним моделюванням. Програма розрахунків та візуалізації написана на алгоритмічній мові Borland Pascal 7.0.

Розроблено метод геометричне моделювання РК ДТ у площині конформного відображення із застосуванням овалів Ламе.

Профілі лопаток осьового ступеню, що входить до складу проточної частини ДТ (див. рис.1), подано кривими Бартіні, які забезпечують з урахуванням кутів загострення вхідної та вихідної кромок бажані кути входу і виходу потоку, а також проходження кривої спинки профілю через горло каналу з визначеним кутом відгину профілю. Математично вони записуються в такий спосіб:

(5)

де

Для побудови спинки і коритця профілю знаходять похідні від параметричних функцій (5) по параметру p

; (6)

. (7)

Поділивши (7) на (6), одержимо вираз похідної для значень параметра p, що лежать у межах :

.

Вихідними даними для профілювання є кут входу потоку в решітку , геометричний кут виходу потоку , кут установки профілю , кути загострення вхідної і вихідної кромок , кут відгину профілю в горлі каналу . Крім того, повинні бути задані осьова довжина решітки В, горло каналу а₂, а також відносні радіуси округлення вхідної і вихідної кромок, відносна товщина профілю віддалена на величину від кола вхідної кромки, відносний крок решітки .

Наведені в роботі числові і графічні результати підтверджують плідність запропонованого методу геометричного моделювання плоских перерізів лопаток осьових турбін.

У четвертому розділі подані методи геометричного моделювання нерухомих елементів ДТ. Патрубок на вході до турбіни формуються, застосовуючи баланс витрат робочої речовини через ПП, який розподіляється на дві частини, першу, що надходить до турбіни через безлопатний напрямний апарат, та другу, що проходить далі по патрубку.Пристрій підведення робочої речовини до ДТ моделюється із застосуванням логарифмічної спіралі для подання спірального завитка

. (8)

Точки A і B (рис.8) визначаються полярними координатами:

Маючи ці координати, отримаємо вирази для визначення невідомих параметрів рівняння (8):

При моделюванні меридіональних перерізів підвідного пристрою застосовувались овалі Ламе. При цьому прагнули до того, щоб периметр меридіональних перерізів був мінімальний, а центр його ваги максимально віддалений від осі ротора. Закон зміни площ меридіональних перерізів вздовж каналу підвідного пристрою прийнятий лінійним.

За наведеним методом побудовані твердотільні плоскі ортогональні зображення пристрою та його просторові зображення (рис.9), згенеровані у середовищі AutoCAD.

Розроблено методи геометричного моделювання соплових лопаток турбін діагонального типу із застосуванням модифікованого рівняння декартового листа та конформного відображення прямої плоскої решітки на кругову решітку ДТ, розташовану на конічній поверхні.

Профіль лопатки нерухомого елемента ДТ формується двома трансформованими декартовими листами, відповідно для спинки та коритця, які спрягаються між собою дугами кіл вхідної і вихідної кромок.

Відоме рівняння декартового листа у полярних координатах має вигляд:

. (9)

Одна гілка декартового листа має вигляд симетричний відносно бісектриси кута між координатними осями. Така крива не задовольняє умовам моделювання профілів, які мають різні комбінації кутів входу і виходу потоку. Введенням додаткових компонентів трансформуємо рівняння (9) до такого вигляду:

,

де a і b - параметри рівняння, які визначаються за умови забезпечення бажаних комбінацій кутів входу і виходу потоку та хорди профілю.

Змодельований профіль показано на рис.10. Його виділено товстою суцільною лінією. На цьому рисунку можна також бачити гілки декартових листів, які хоча і мають симетричний вигляд, але вісь їх симетрії вже не є бісектрисою кута між осями х' та у'.

Проведені дослідження геометричної досконалості лопаток осьових вентиляторів 250/10 ОСО для ЦНДіПІ та 100/10 ОСО для АТ ВТ "Завод "Екватор", РК відцентрового компресора для АТ ВТ "Первомайськдизельмаш" та лопатки третього ступеня осьового компресора низького тиску двигунів ДГ90 та ДН80 для ВО "Зоря" продемонстрували принципову можливість підвищення їх аеродинамічної якості за рахунок поліпшення геометричних характеристик ЛА, що формують їх проточні частини.

Дослідження з модернізації турбіни двигуна Д049, спроектованого в ДП НВКГ "Зоря - Машпроект", шляхом заміни двох перших осьових ступенів одним діагональним підтвердили плідність запропонованого підходу. На рис.11 показано проточну частину турбіни двигуна Д049 після модернізації. Це дає можливість підвищити ККД турбіни приблизно на 0,8 відсотки, а також зменшити масу і осьові габарити установки. Ця перевага в ККД досягнута тим, що в діагональному ступені додаткове спрацьовування теплоперепаду досягається завдяки роботі так званих коріолісових сил, обумовлених різницею колових швидкостей на вході до РК та на виході з нього. Подібні явища в осьових ступенях не відбуваються, оскільки в силу їх геометрії колові швидкості на вході і виході з робочого вінця відрізняються не суттєво.

В результаті проведених досліджень досягнута основна мета роботи - розроблено ГМ рухомих і нерухомих елементів проточних частин ДТ. Поліпшення геометричної якості ЛА цих турбомашин із застосуванням сучасних досягнень прикладної геометрії та комп'ютерної графіки, у кінцевому підсумку, сприяє підвищенню паливно-економічних показників енергетичних установок.

ВИСНОВКИ

У результаті проведених досліджень досягнута основна мета роботи - розроблено ГМ рухомих і нерухомих елементів проточних частин ДТ. При цьому отримані такі результати, що мають наукову і практичну цінність:

1. Вперше застосовано комплексний підхід до геометричного моделювання рухомих і нерухомих елементів проточних частин турбін діагонального типу, зокрема РК з різними ступенями діагональності, лопаток СА, пристроїв підведення робочої речовини. Це дозволило поліпшити геометричні характеристики обводів і поверхонь, які формують течію робочої речовини і, отже, впливають на ефективні показники ДТ.

2. Розроблено метод геометричного моделювання меридіональних обводів РК ДТ із застосуванням В-сплайнів, удосконалено алгоритм послідовного збільшення вершин ламаних, які апроксимують ці сплайни та подають меридіональні обводи колеса у першому наближенні. Запропонований метод є достатньо гнучким, враховує специфічні особливості ДТ, дозволяє керувати формою обводів та дає достатні можливості для досягнення оптимальної геометричної форми меридіонального перерізу колеса турбіни.

3. Запропоновано новий підхід до геометричного моделювання серединних, угнутих та опуклих поверхонь лопаток РК діагональних ступенів із застосуванням гвинтових лінійчатих поверхонь змінного кроку, та побудови гвинтової лінії на циліндричній поверхні зовнішнього радіуса колеса, яка визначає скелетну лінію профілю лопатки за заданими кутами входу і виходу потоку.

4. Досліджено параболу загального вигляду, коефіцієнти якої знаходяться за умови забезпечення необхідних комбінацій кутів потоку та розташування стрілки прогину кривої на заданій відстані від вхідної кромки. Параболу застосовано до геометричного моделювання скелетних ліній профілів коліс ДТ з невисоким ступенем діагональності. Удосконалено метод формування симетричних аеродинамічних профілів, обводи яких описуються поліноміальними кривими окремо для вхідних і вихідних їх ділянок. Профілі розподіляються вздовж параболічних скелетних ліній. Теоретичні дослідження та виконаний аналіз підтвердили можливість застосування цього метода у широкому діапазоні варіювання геометричних параметрів діагональних ступенів.

5. Розроблено метод геометричного моделювання обводів профілів лопаток осьових ступенів, що входять до складу проточних частин ДТ, із застосуванням степеневих параметричних функцій, запропонованих Р.Л.Бартіні, які забезпечують високий порядок гладкості і неперервності обводів при наявності можливості широкого варіювання їх параметрів, зокрема кутів входу і виходу потоку, кутів загострення і радіусів закруглення вхідних і вихідних кромок тощо.

6. Запропоновано методи профілювання нерухомих елементів проточних частин ДТ: пристроїв підведення робочої речовини із застосуванням логарифмічної спіралі для подання спірального завитка та овалів Ламе для формування його меридіональних перерізів; соплових лопаток ДТ із застосуванням модифікованого рівняння декартового листа та конформного відображення прямої решітки профілів на колову.

7. Розроблені програми геометричного моделювання та візуалізації елементів проточних частин ДТ для ПЕОМ у системі програмування Borland Pascal 7.0 з формуванням script-файлів та побудовою в автоматичному режимі зображень у графічному пакеті AutoCAD дозволяють генерувати високоефективні пристрої та будувати на екрані монітору ПЕОМ як плоскі проекції, так і просторові зображення лопаток і коліс. Їх застосування дає можливість знизити рівень втрат енергії в ЛА від одного до чотирьох відсотків, а також дозволяє автоматизувати трудомісткий процес створення та доведення цих важливих компонентів енергетичного устаткування.

8. Впровадження результатів роботи реалізовано виконанням держбюджетної науково-дослідної теми та договорів творчої співпраці з підприємствами галузі. Результати досліджень з геометричного моделювання ЛА турбін, компресорів та вентиляторів, які виконані за цими договорами, передані НВП "Машпроект", ВО "Зоря", ДП НВКГ "Зоря"- "Машпроект", ЦНДіПІ "Тайфун", АТВТ "Завод "Екватор" (м. Миколаїв), АТ ВТ "Первомайськдизельмаш" (м. Первомайськ) і використовуються при проектуванні перспективних та удосконаленні існуючих зразків діагональних ТМ різного цільового призначення. Застосування діагональних ступенів у комбінації з осьовими дозволяє підвищити ефективність турбіни на 0,8 відсотки по відношенню до чисто осьового її конструктивного оформлення. Результати досліджень також впроваджені в навчальний процес УДМТУ.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Борисенко В.Д., Куклина О.Ю. К вопросу геометрического моделирования аэродинамического обвода профиля лопатки турбомашины// Сборник трудов международно-практической конференции. - Харьков: ХИПБ МВС Украины, - Ч. 2, 1998. - С. 170-175.

Борисенко В.Д., Куклина О.Ю. Профилирование подводящего патрубка центростремительной турбины с безлопаточным направляющим аппаратом// Прикладная геометрия и инженерная графика. - Мелитополь: Труды ТГАТА, 1998. - Вып. 4. - Том 3. - С. 28-31.

Борисенко В.Д., Куклина О.Ю. Профилирование скелетной линии лопатки рабочего колеса диагональной турбины// Тезисы докладов международной научно-практической конференции "Современные проблемы геометрического моделирования". - Донецк: ДонГТУ, 2000. - С. 67-68.

Борисенко В.Д., Куклина О.Ю., Устенко С.А. Геометрическое моделирование профилей лопаток турбин// Сборник научных трудов УГМТУ. - Николаев: УГМТУ, 2000. - №3 (369). - С. 103-111.

Борисенко В.Д., Кукліна О.Ю. Геометрична модель меридіонального профілю робочого колеса діагональної турбіни// Прикладна геометрія та інженерна графіка. - К.: КНУБА, 2000. - Вип. 67. - С. 82-85.

Борисенко В.Д., Кукліна О.Ю. Геометричне моделювання профілів лопаток робочих коліс доцентрових турбін у площині конформного відображення. Труды ТГАТА. - Вып. 4. - Т. 7. - Мелитополь, 1999. - С. 41-44.

Борисенко В.Д., Кукліна О.Ю. Геометричне моделювання робочих лопаток діагональних турбін// Прикладна геометрія та інженерна графіка. - Мелітополь: Праці ТДАТА, 2000. - Вип. 4. - Том 11. - С. 58-62.

Борисенко В.Д., Устенко С.А., Кукліна О.Ю. Геометричне моделювання підвідних пристроїв діагональних турбін// Збірник наукових праць УДМТУ. - Миколаїв: УДМТУ, 2002. - №3 (381). - С. 77-84.

Борисенко В.Д., Устенко С.А., Кукліна О.Ю. Геометричне моделювання лопаток соплових апаратів діагональних турбін// Прикладна геометрія та інженерна графіка. - Мелітополь: Праці ТДАТА, 2002. - Вип. 4. - Том 16. - С. 125- 129.

Борисенко В.Д., Устенко С.А., Кукліна О.Ю. Геометричне моделювання меридіонального перерізу робочого колеса діагональної турбіни// Збірник наукових праць УДМТУ. - Миколаїв, УДМТУ, 2002. - №6 (384). - С. 87-94.

Борисенко В.Д., Устенко С.А., Кукліна О.Ю. Метод профілювання лопаток робочих коліс діагональних турбін// Збірник наукових праць УДМТУ. - Миколаів: УДМТУ, 2003. - №2 (388). - С. 51- 59.

Борисенко В.Д., Устенко С.А., Кукліна О.Ю. Моделювання та візуалізація лопаток діагональних турбін// Сборник трудов международно-практической конференции. - Харьков: ХДАТОХ, 2001. - С. 99-101.

Борисенко В.Д., Устенко С.А., Кукліна О.Ю. Профілювання лопаток нерухомих елементів проточних частин діагональних турбін// Збірник наукових праць "Геометричне та комп'ютерне моделювання". - Харків, 2002. - Вип.2. - С. 31-37.

Кукліна О.Ю. Геометричне моделювання елементів проточних частин діагональних турбін// Материалы 3-й международной научно-технической конференции "Проблемы энергосбережения и экологии в судостроении" - Николаев: 2002. - С. 149.

Кукліна О.Ю. Геометричне моделювання симетричних аеродинамічних профілів// Прикладна геометрія та інженерна графіка. - К.: КНУБА, 2001. - Вип. 69. - С. 211-213.

АНОТАЦІЇ

Кукліна О.Ю. Геометричне моделювання елементів проточних частин діагональних турбомашин. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.01.01 - прикладна геометрія, інженерна графіка. - Київський національний університет будівництва і архітектури, Київ, Україна, 2003.

Дисертаційна робота присвячена розробці методів, алгоритмів і програм геометричного моделювання елементів проточних частин турбін діагонального конструктивного оформлення, та їх візуалізації на екрані монітора ПЕОМ із застосуванням сучасних досягнень прикладної та обчислювальної геометрії, комп'ютерної графіки в області аналітичного подання кривих і поверхонь складних технічних форм. Запропоновано комплексний підхід до геометричного моделювання рухомих і нерухомих елементів проточних частин турбін діагонального типу. Розглянуто методи геометричного моделювання робочих коліс діагонального типу. Запропонована геометрична модель містить блоки геометричного моделювання меридіональних границь колеса та формування робочих поверхонь лопаток. Розглянуті методи геометричного моделювання робочих коліс діагональних турбін з невисоким ступенем діагональності, а також моделювання профілів лопаток осьових ступенів, які входять до конструкцій турбін діагонального типу. Подані методи геометричного моделювання нерухомих елементів діагональних турбомашин. Розроблені програми геометричного моделювання та візуалізації елементів проточних частин ДТ для ПЕОМ у системі програмування Borland Pascal 7.0 з формуванням script-файлів та побудовою в автоматичному режимі зображень у графічному пакеті AutoCAD.

Ключові слова: геометричне моделювання, діагональна турбіна, робоче колесо, лопатний апарат.



Куклина О.Ю. Геометрическое моделирование элементов проточных частей диагональных турбомашин. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.01.01 - прикладная геометрия, инженерная графика. - Киевский национальный университет строительства и архитектуры, Киев, Украина, 2003.

Диссертационная работа посвящена разработке методов, алгоритмов и программ геометрического моделирования элементов проточных частей турбин диагонального конструктивного оформления, и их визуализации на экране монитора ПЭВМ с использованием современных достижений прикладной и вычислительной геометрии, компьютерной графики в области аналитического представления кривых и поверхностей сложных технических форм. Предложен комплексный подход к геометрическому моделированию подвижных и неподвижных элементов проточных частей турбин диагонального типа.

В первом разделе работы выполнен анализ литературных источников, посвященных разработке методов геометрического моделирования различных объектов. Во втором разделе рассмотрены методы геометрического моделирования рабочих колес диагонального типа. Предложенная геометрическая модель содержит блоки геометрического моделирования меридиональных границ колеса и формирования рабочих поверхностей лопаток. Лопатку рабочего колеса диагональной турбины формируют линейчатыми винтовыми поверхностями переменного шага, образующая которых перемещается вдоль оси колеса и профиля, построенного на цилиндрической поверхности внешнего радиуса колеса. Для моделирования меридиональных обводов рабочего колеса использовались В-сплайны. Разработан алгоритм последовательного увеличения количества узловых точек для характеристической ломаной, которые аппроксимируют эти сплайны и представляют меридиональные обводы в первом приближении. В третьем разделе рассмотрены методы геометрического моделирования рабочих колес диагональных турбин с невысокой степенью диагональности, а также моделирование профилей лопаток осевых ступеней, которые входят в состав турбин диагонального типа. Профиль лопатки рабочих колес с невысокой степенью диагональности формируются распределением симметричного аэродинамичного профиля вдоль средней линии, обводы которого описываются двумя полиномиальными кривыми третьей и четвертой степени. Средняя линия описывается параболой общего вида, коэффициенты которой определяются из условия обеспечения необходимых комбинаций углов потока и размещения стрелки прогиба кривой на заданном расстоянии от входной кромки. Профили лопаток осевых ступеней моделируются параметрическими кривыми Бартини, которые обеспечивают высокий порядок гладкости и непрерывности обводов при наличии возможности широкого варьирования их параметров, в частности углов входа и выхода потока, углов заострения и радиусов закругления входных и выходных кромок. В четвертом разделе представлены методы геометрического моделирования неподвижных элементов диагональных турбомашин. Устройство подвода рабочего вещества моделируется с использованием логарифмической спирали для спирального завитка и овалов Ламэ для меридиональных сечений. Сопловые лопатки диагональных турбин предлагается моделировать с использованием уравнений двух трансформированных декартовых листов, соответственно для спинки и корытца, которые спрягаются между собой дугами окружностей входных и выходных кромок. Разработаны программы геометрического моделирования и визуализации элементов проточных частей ДТ для ПЭВМ в системе программирования Borland Pascal 7.0 с формированием script-файлов и построением в автоматическом режиме изображений в графическом пакете AutoCAD. Их использование дает возможность снизить уровень потерь энергии в лопаточных аппаратах от одного до четырех процентов, а также позволяет автоматизировать трудоемкий процесс создания и доводки этих важных компонентов энергетического оборудования. Выполнено внедрение результатов роботы на предприятия народного хозяйства.

Ключевые слова: геометрическое моделирование, диагональная турбина, рабочее колесо, лопаточный аппарат.

Kuklina O.U. Geometrical modelling of the elements of diagonal turbines running parts. - Manuscript. A thesis for a candidate degree of technical sciences on speciality 05.01.01 - applied geometry, engineering graphics. - Kyiv National University of Building and Architecture, Kyiv, Ukraine, 2003.

The thesis is devoted to the elaboration of methods, algorithms, programs of geometrical modelling of diagonal turbines running parts' elements and their visualization at the computer monitor's screen using up-to-date achievements of applied geometry, computer graphics in the field of analytical presentation of curves and surfaces of complicated technical forms. It is offered a complex approach to geometrical modelling of moving and fixed elements of diagonal turbines running parts. The methods of geometrical modelling of impeller of diagonal type are examined in the thesis. The offered geometrical model contains the blocks of geometrical modelling of a impeller's meridional lines and blades' functional surfaces forming. There are proposed the methods of geometrical modelling of impeller of diagonal turbines with a small degree of diagonality and also modelling of profiles of blades of axial stages that form diagonal turbines. There are presented methods of geometrical modelling of the fixed elements of diagonal turbines. The programs worked out in the thesis are for the geometrical modelling and visualization of the elements of diagonal turbines running parts for personal computer in programming system Borland Pascal 7.0 with script-files forming and images building in automatic conditions in graphics package AutoCAD.

Key words: geometrical modelling, diagonal turbine, impeller, blade apparatus.

Размещено на Allbest.ru