Оптимізація геометричних параметрів між лопаткового каналу дворядних лопаткових вінців трансзвукових ступенів осьового компресора

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ОПТИМІЗАЦІЯ ГЕОМЕТРИЧНИХ ПАРАМЕТРІВ МІЖЛОПАТКОВОГО КАНАЛУ ДВОРЯДНИХ ЛОПАТКОВИХ ВІНЦІВ ТРАНСЗВУКОВИХ СТУПЕНІВ ОСЬОВОГО КОМПРЕСОРА

КІРЧУ ФЕДІР ІВАНОВИЧ

УДК 629.735

Спеціальність 05.07.05 - Двигуни та енергоустановки літальних апаратів

Київ - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному авіаційному університеті

Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Панін Владислав Вадимович,

професор кафедри авіаційних двигунів Національного авіаційного університету

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Касьянов Володимир Олександрович, професор кафедри механніки Національного авіаційного університету

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Дихановський Віктор Миколайович,

докторант Національної академії оборони

Захист дисертації відбудеться “11“ жовтня 2007р. о 15-00 годині в аудиторії 1.105 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.062.10 при Національному авіаційному університеті за адресою: 03680, м. Київ - 680, проспект Космонавта Комарова, 1.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного авіаційного університету за адресою: 03680, м. Київ, проспект Космонавта Комарова , 1.

Автореферат розісланий “7“ вересня 2007р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д26.062.10,

кандидат технічних наук, доцент О.Г.Водчиць

Размещено на http://www.allbest.ru/

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Характерною тенденцією розвитку авіаційного двигунобудування є підвищення параметрів робочого процесу (температури газу перед турбіною, ступеня підвищення тиску у компресорі) та зменшення ваги і габаритних розмірів силових установок. Для забезпечення таких вимог необхідна розробка малогабаритних високонапірних та високопродуктивних компресорів.

Зменшення розмірів та ваги компресора може бути досягнуто шляхом зменшення кількості ступенів і лопаток, а також діаметрів коліс. Застосування любого з цих методів веде до підвищення роботи в кожному окремо взятому ступені. Підвищення роботи у ступені компресора можливе: за рахунок збільшення частоти обертання робочих коліс; за рахунок збільшення закрутки потоку в ступені компресора, для чого необхідно збільшувати кривизну профілів лопаток та підвищувати кути атаки.

Перший з наведених шляхів веде до надзвукового обтікання лопаток компресора та появи стрибків ущільнень і, як наслідок, відриву потоку та значного зниження ККД; другий - до стрімкого набухання примежового шару та відриву потоку з випуклої сторони (спинки) лопаток, що приводить до різкого зниження ККД.

Таким чином однією з найважливіших задач сучасного компресоробудування є підвищення ефективності та аеродинамічної навантаженості ступенів осьового компресора з застосуванням засобів керування примежовим шаром.

Аналіз раніше проведених досліджень Фіккертом К, Чженом П.К., Бунімовичем А.І., Святогоровим А.А., Терещенко Ю.М., Бамертом К. та іншими, показав, що одним з підходів до вирішення такої задачі є застосування дворядних лопаткових вінців в ступенях осьового компресора. Проте, при наявності великої кількості різноманітних конфігурацій дворядних лопаток, недостатньо приділялось уваги оптимізації геометричних параметрів міжлопаткового каналу. Варіюючи кривизною, хордою та орієнтацією лопаток однієї відносно іншої можна комбінувати навантаженням та втратами в відповідності до мети застосування. Тому проведення досліджень пов'язаних з визначенням впливу форми дворядних лопаток на характеристики ступенів компресора є необхідними і актуальними та представляють науковий і практичний інтерес для міністерств оборони та транспорту України, розробників і виробників авіаційних ГТД.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Ця робота є ініціативною і одночасно складовою частиною досліджень, які проводяться в Національному авіаційному університеті і спрямовані на дослідження нових методів аеродинамічного вдосконалення компресорів авіаційних ГТД . Робота лежить в руслі Державної програми розвитку авіаційного транспорту України на період до 2010 року, розробленої згідно Указу Президента України від 18 жовтня 2000 року №1143/2000 “Про рішення Ради національної безпеки і оборони України” від 27 вересня 2000 року “Про стан авіаційного транспорту та авіаційної промисловості”.

Робота виконувалась в рамках наступних науково-дослідних робіт:

- № 107-ДБ03 “Розробка та дослідження нових методів аеродинамічного вдосконалення компресорів авіаційних ГТД” номер державної реєстрації № 0103U002004;

- № 3-ф1/К14 “Розробка та дослідження ефективності нових методів забезпечення газодинамічної стійкості компресорів авіаційних ГТД”.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційного дослідження є підвищення ефективності трансзвукових ступенів осьового компресора з дворядними лопатковими вінцями шляхом оптимізації геометричних параметрів міжлопаткового каналу.

Досягнення мети дослідження обумовило вирішення наступних задач:

- проведення аналізу результатів досліджень по взаємному розташуванню лопаток в дворядних лопаткових вінцях ступенів компресора та визначення шляхів вдосконалення їх характеристик;

- проведення чисельних досліджень характеристик трансзвукового ступеня осьового компресора з однорядними лопатковими вінцями та порівняння результатів з даними експериментальних досліджень інших авторів;

- проведення чисельних досліджень характеристик трансзвукового ступеня осьового компресора з дворядними лопатковими вінцями робочого колеса та напрямного апарата, які побудовані згідно даних, відомих з відкритих літературних джерел;

- розробку методики оптимізації та проведення оптимізації геометричних параметрів міжлопаткового каналу плоских перерізів дворядних лопаткових вінців робочого колеса та напрямного апарата ступеня осьового компресора;

- проведення експериментальних та чисельних досліджень характеристик компресорної решітки, побудованої за результатами оптимізації лопаткового вінця робочого колеса в плоскому перерізі на середньому радіусі;

- проведення чисельних досліджень характеристик трансзвукового ступеня осьового компресора з дворядними лопатковими вінцями робочого колеса та напрямного апарата, які побудовані згідно даних, отриманих за результатами оптимізації геометричних параметрів міжлопаткового каналу плоских перерізів дворядних лопаткових вінців робочого колеса та напрямного апарата;

Об'єктом досліджень є ступені осьового компресора.

Предметом досліджень є характеристики ступенів осьового компресора та компресорних решіток.

Методи досліджень. У процесі дисертаційних досліджень використовувались: методи чисельної газодинаміки для моделювання течії та визначення параметрів газового потоку в ступені осьового компресора та плоских компресорних решітках, експериментальні методи для дослідження характеристик плоских компресорних решіток, та методи нелінійного програмування для оптимізації геометричних параметрів міжлопаткового каналу дворядних лопаткових вінців.

Наукова новизна одержаних результатів.

Вперше отримані результати досліджень характеристик трансзвукового ступеня осьового компресора з дворядними лопатковими вінцями робочого колеса та напрямного апарата.

Вперше отримані результати оптимізації геометричних параметрів міжлопаткового каналу дворядних лопаткових вінців (конструктивні кути виходу першої та входу другої лопаток) робочого колеса та напрямного апарата трансзвукового ступеня осьового компресора.

Практичне значення одержаних результатів. Результати дисертаційних досліджень, а саме, методика оптимізації геометричних параметрів міжлопаткового каналу дворядних лопаткових вінців, може бути використана науково-дослідними установами, підприємствами промисловості, які займаються проектуванням, виготовленням та модернізацією осьових компресорів та газотурбінних двигунів.

Застосування даної методики у сукупності з методикою профілювання дворядних лопаткових вінців, при проектуванні ступенів компресора, дозволить підвищити їх аеродинамічну ефективність.

Розроблений автором експериментальний аеродинамічний стенд для продувки плоских компресорних решіток, впроваджений в навчальний процес в “Національному авіаційному університеті”

Особистий внесок здобувача. В наукових статтях, надрукованих у співавторстві, автору дисертації належить:

- в роботі [1] проведена оптимізація конструктивних кутів компресорної решітки за критерієм мінімуму втрат повного тиску та показано, що використання процедур оптимізації при профілюванні компресорних решіток дозволяє суттєво покращити їх характеристики;

- в роботі [2] розроблена схема інформаційно-вимірювального комплексу для експериментальних досліджень газових течій в решітках турбомашин;

- в роботі [3] розроблений інтегро-диференційний метод визначення аеродинамічних характеристик компресорних решіток за відомим розподілом тиску по профілю лопаток. Проведене порівняння експериментальних характеристик компресорних решіток, визначених відомими та розробленим методами;

- в роботі [4] запропоновано застосування інтегро-диференційного методу, визначення аеродинамічних характеристик компресорних решіток, для задач оптимізації параметрів компресорних решіток;

- у роботах [6, 7] розроблено математичне забезпечення для розрахунку запасу газодинамічної стійкості компресорів газотурбінних двигунів;

- в патенті [8] розроблено спосіб вдосконалення поворотного механізму пакету лопаток та пристрою для визначення аеродинамічних характеристик компресорних решіток.

Апробація результатів дисертації. Отримані результати дисертаційного дослідження доповідались і отримали позитивну оцінку на: засіданнях кафедри авіаційних двигунів Національного авіаційного університету (м. Київ. 2004 - 2007 рр.); VI Міжнародній науковій конференції студентів та молодих вчених “Політ - 2004” (м. Київ); VI Міжнародній науково-технічній конференції “Авіа - 2004” (м. Київ); IX - X; Міжнародних конгресах двигунобудування (сел. Рибаче, 2004 - 2005р.); VIІІ Міжнародній науково-технічній конференції “Авіа - 2007”.

Публікації. На тему дисертації опубліковано 9 друкованих праць, з них: 5 статей у фахових виданнях ВАК України, патент України на винахід, деклараційний патент України на корисну модель.

Структура дисертації: Дисертація складається із вступу, трьох розділів, висновків, списку використаних джерел. Загальний обсяг дисертації становить 116 сторінок, 52 рисунки і 13 таблиць, список використаних джерел 112 найменувань на 10 сторінках.

Основний зміст роботи

трансзвуковий осьовий компресор

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульована мета дисертаційної роботи, визначені її наукова новизна та практична цінність.

У першому розділі проведений аналіз сучасного стану проблеми підвищення аеродинамічної навантаженості та ефективності компресорів авіаційних газотурбінних двигунів. Проведено огляд літературних джерел, присвячених питанням застосування дворядних лопаткових вінців в ступенях осьового компресора. Проаналізовані методи дослідження газового потоку в проточній частині ступенів осьового компресора, поставлені задачі досліджень.

Основна тенденція розвитку сучасного компресоробудування - це розробка малогабаритних, високонапірних та високопродуктивних компресорів. Одним з підходів до вирішення такої задачі є застосування

дворядних лопаткових вінців в ступенях осьового компресора.

Застосування дворядних лопаткових вінців дозволяє запобігти передчасному відриву потоку, що досягається за рахунок здування примежового шару потоком повітря, що виходить з щілинного каналу, утвореного двома лопатками. Широкого застосування дворядні лопаткові вінці набули в спрямляючих апаратах компресорів авіаційних двигунів Д-36, АИ-25, Д-30КУ, Д-30 КП, Д-30, АЛ-32Ф та інших. В цих випадках звертання до дворядних лопаткових вінців обумовлене необхідністю забезпечення великих кутів повороту потоку.

З точки зору підвищення аеродинамічного навантаження ступеня осьового компресора більш доцільним є, використання робочих коліс з дворядними лопатковими вінцями. Відомі всього декілька робіт присвячених таким дослідженням. Найменш дослідженим питанням є сумісне застосування дворядних лопаткових вінців робочого колеса та напрямного апарата в ступені осьового компресора.

Проведений аналіз показав, що ступені осьового компресора з дворядними лопатковими вінцями мають більш високі значення коефіцієнту корисної дії при роботі на нерозрахункових режимах, та менші значення при роботі на розрахункових режимах порівняно з еквівалентними ступенями компресора з однорядними лопатковими вінцями. Така закономірність обумовлена збільшенням закрутки потоку та підвищеним рівнем втрат в дворядних лопаткових вінцях.

Найбільш складним питанням при проектуванні дворядних лопаткових вінців є визначення раціональних параметрів міжлопаткового каналу. Варіюючи цими параметрами можна досить суттєво впливати на характеристики ступеня компресора.

Практично всі автори використовують однакову конструкцію дворядної лопатки та геометричні параметри, які визначають положення та форму міжлопаткового каналу. Зокрема, в загальному випадку дворядна лопатка представляла собою дві однорядні лопатки, які мають деяке перекриття по фронту і по осі (рис. 1).

Зміщення решіток однієї відносно другої в осьовому напрямку визначається параметром , а в окружному (по фронту решітки) -параметром . Як параметри, що визначають геометричні характеристики міжлопаткового каналу дворядних решіток, використовуються наступні: fв - мінімальна висота каналу; fа - максимальна висота каналу; ls - глибина міжлопаткового каналу (відстань між перерізами fа і fв). Параметри fа, fв, ls характеризують конфузорність каналів, яка може оцінюватись величинами або , де ; ;.

Основними геометричними параметрами, що визначають форму лопаток та положення їх в решітці є: - конструктивний кут входу лопаток;- конструктивний кут виходу лопаток; - конструктивний кут виходу першої лопатки; - конструктивний кут входу другої лопатки; t - крок лопаток; - хорда першої лопатки; - хорда другої лопатки; - загальна (повна) хорда дворядної лопатки.

Не зважаючи на значну кількість робіт присвячених дослідженням дворядних компресорних решіток залишаються не вирішеними питання з визначення оптимального співвідношення між конструктивними кутами виходу з першої лопатки та входу в другу лопатку, які формують міжлопатковий канал. Таким чином в роботі було висунуте припущення, що при всіх інших рівних геометричних параметрах міжлопаткового каналу та компресорної решітки існує таке оптимальне співвідношення кутів і яке забезпечувало б максимальну ефективність дворядної компресорної решітки, що в свою чергу дозволить підвищити ефективність ступеня осьового компресора з дворядними лопатковими вінцями.

Визначення оптимальних параметрів можливе шляхом застосування чисельних та експериментальних методів досліджень. За допомогою чисельних методів можна в короткий час та з мінімальними фінансовими витратами визначити необхідні параметри, після чого експериментальним шляхом перевірити та уточнити отримані результати.

У другому розділі розроблена методика оптимізації геометричних параметрів міжлопаткового каналу дворядних лопаткових вінців та наведена методика чисельних досліджень характеристик ступенів осьового компресора та плоских компресорних решіток. Також описані об'єкти досліджень та наведені початкові розрахункові умови припущення і обмеження.

Оптимізаційна задача вирішувалась для визначення оптимальних геометричних параметрів (конструктивних кутів ) міжлопаткового каналу плоских перерізів дворядних лопаткових вінців за критерієм мінімуму втрат повного тиску в дворядних лопаткових вінцях з метою підвищення ККД ступенів осьового компресора. Оптимізація проводилась на розрахунковому режимі роботи ступеня в плоских перерізах дворядних лопаткових вінців робочого колеса та напрямного апарату. Процес оптимізації здійснюється в три етапи.

Першим етапом є розрахунок характеристик ступеня осьового компресора з неоптимізованими дворядними лопатковими вінцями і визначення кутів натікання і виходу потоку, та трикутників швидкостей по і - им перерізам по висоті лопаток рис.2.

Другим етапом є оптимізація конструктивних кутів плоских перерізів дворядних лопаткових вінців на кожному і-ому перерізі.

Третім - заключним етапом є перебудова дворядних лопаткових вінців з використанням оптимізованих плоских перерізів дворядних лопаток та перерахунок характеристик ступеня осьового компресора. Детально даний алгоритм оптимізації зображений на рис. 3.

Для вирішення задачі оптимізації, використовувався один з методів нелінійного програмування, а саме однопараметричний метод “золотого перерізу”. Вибір даного методу був обумовлений тим, що при збереженні сталими всіх інших геометричних параметрів міжлопаткового каналу дворядних компресорних решіток, крім кутів , геометрична форма міжлопаткового каналу повністю визначається одним з параметрів , , оскільки при таких умовах данні кути жорстко зв'язані один з одним.

Цільовою функцією оптимізаційної задачі були гідравлічні втрати в компресорних решітках, які оцінювались втратами повного тиску (1).

, (1)

де а, b - межі інтервалу зміни кута.

Для решіток робочого колеса розрахунки проводились за параметрами потоку в відносному русі, а для решіток напрямного апарату за параметрами в абсолютному русі, те саме стосується і конструктивних кутів входу та виходу лопаток.

Пробні точки , в межах інтервалу a-b розраховувались за формулами

, , (2)

де к - коефіцієнт ділення відрізку [a,b], к=0,618.

Критерієм досягнення екстремуму цільової функції була умова виконання нерівності (3)

або , (3)

де , - критерії досягнення екстремуму цільової функції.

Значення приймалось рівним 0,5, така величина обумовлена допуском на виготовлення профілів лопаток (відхилення конструктивних кутів лопаток в межах 0,5). Критерій характеризує втрати повного тиску, які обумовлені допуском виготовлення лопаток.

Для визначення параметрів газового потоку в плоских перерізах лопаткових вінців та в ступені осьового компресора використовувалися методи чисельної газодинаміки, реалізовані в програмному комплексі FLUENT.

При оптимізації та розрахунку параметрів потоку використовувалась модель стисливої в'язкої течії з k- моделлю турбулентної в'язкості Ментера (SST) та застосовувались наступні припущення:

· течія відносно робочого колеса, яке обертається з постійною кутовою швидкістю, або відносно нерухомого напрямного апарату є сталою;

· масова витрата газу через ступінь компресора постійна;

· тривимірні ефекти обтікання ступеня компресора не враховуються при оптимізації плоских перерізів лопаткових вінців;

· розрахунок характеристик ступеня осьового компресора проводиться в плоских перерізах, після чого відбувається осереднення параметрів газового потоку по висоті лопаток.

Апробація методики оптимізації проводилась на трансзвуковому ступені осьового компресора ОК-75 (рис. 2) у якого лопатки робочого колеса та напрямного апарату замінені еквівалентними дворядними лопатками.

В третьому розділі описана експериментальна установка для дослідження характеристик плоских компресорних решіток, та наведена методика експериментальних досліджень плоских дворядних компресорних решіток

Основною метою експериментальних досліджень плоских перерізів дворядних лопаткових вінців була перевірка адекватності чисельного методу, визначення основних характеристик решіток( коефіцієнт втрат повного тиску , кут повороту потоку в решітці ). Для виконання експериментальних досліджень в рамках даної дисертаційної роботи була створена установка для продувки плоских решіток турбомашин рис. 4.

До складу установки входять наступні основні функціональні вузли: відцентрові нагнітачі 1,2; ресивер 3; решітка для вирівнювання потоку 4 (хонейкомб); лемніската 5; робоча частина (механізм повороту лопаток) 6; вихідна лемніската 7; вихідний патрубок 8; рама 9; сопло для заміру витрати повітря 10.

Реєстрування параметрів газового потоку відбувалося за допомогою автоматизованого вимірювального комплексу, в якому перетворення сигналу від аеродинамічних зондів здійснюється за допомогою кременевих датчиків тиску MPXV5004GVP (Motorola).

Дослідження проводилися на модельній дворядній компресорній решітці рис.5, побудованої з оптимізованих профілів дворядного лопаткового вінця робочого колеса на середньому радіусі.

Дворядні лопатки в решітці мали повну хорду 120 мм. Дослідження проводились при швидкості потоку в робочій частині установки, рівній 40 м/с, температурі навколишнього повітря Т=281К, атмосферному тиску Р= 100525 Па. Такі параметри забезпечували число Рейнольдса 2,73*10-5.

В результаті експериментальних досліджень були визначені характеристики дворядної компресорної решітки (залежність ) в діапазоні зміни кута атаки і =-16...+16.

В четвертому розділі наведені результати чисельних та експериментальних досліджень характеристик ступенів осьового компресора з однорядними, дворядними та дворядними оптимізованими лопатковими вінцями робочого колеса і напрямного апарата. Наведені результати оптимізації геометричних параметрів міжлопаткового каналу дворядних лопаткових вінців. Проведене порівняння характеристик дворядної компресорної решітки, побудованої з оптимізованих профілів дворядного лопаткового вінця робочого колеса на середньому радіусі, отриманих за допомогою експериментальних та чисельних методів.

Чисельні дослідження характеристик ступеня осьового компресора ОК-75 з однорядними лопатковими вінцями показали, що ступінь має максимальне розрахункове значення ступеня підвищення тиску 1,495 при коефіцієнті корисної дії рівному 0,895 на режимі , та максимальний ККД 0,94 при 1,365 на режимі , .

,

де - приведена окружна швидкість, - окружна швидкість на кінці лопаток робочого колеса, - критична швидкість звуку, - повна температура на вході в ступінь компресора.

Порівняння експериментальних характеристик ступеня, отриманих іншими авторами з розрахунковими, отриманими при виконанні дисертаційних досліджень, показало деяку відмінність між ними. При визначенні загальна середню похибка, склала 1,5%, а при визначенні - 4,5%. Таку відмінність результатів чисельних та експериментальних досліджень можна пояснити тим, що характеристики ступеня розраховувались без врахування тривимірних ефектів газової течії.

При порівнянні характеристик ступенів компресора та компресорних решіток використовувались:

відносна зміна - ;

відносна зміна ККД - ;

відносна зміна запасу

газодинамічної стійкості - ;

де індекси м.ст і п.ст позначають модифікований та початковий ступінь компресора.

Застосування дворядних лопаткових вінців робочого колеса та напрямного апарата в ступені осьового компресора ОК -75 дозволило значно підвищити ступінь підвищення тиску та ККД на нерозрахункових режимах (рис. 6).

Так на границі зриву спостерігається підвищення приблизно на =4ч7% (поблизу границі відриву), та на =7ч10% поблизу границі запирання (рис. 6 а), при одночасному зростанні ККД ступеня відповідно на =20ч40 % та на =60ч 85% (в залежності від режиму роботи) (рис. 6 б). Також слід зазначити, що на режимах близьких до розрахункового (максимальне значення ККД) спостерігається незначне зростання приблизно на =1% та зниження ККД на =2,2% ч 4,3% в залежності від режиму роботи (). Також з рис. 6 видно, що на відміну від ступеня з однорядними лопатковими вінцями, ступінь з дворядними лопатковими вінцями має більш пологі напірні криві, що свідчить про його більш стійку (сталу) роботу в усьому діапазоні робочих режимів та виражається в збільшенні запасу газодинамічної стійкості ступеня компресора в середньому на =40ч50% по відношенню до ступеня з однорядними лопатковими вінцями.

Дослідження ступеня осьового компресора з дворядними лопатковими вінцями робочого колеса та напрямного апарату показали що існує необхідність в вдосконаленні дворядних лопаткових вінців, оскільки в порівнянні з ступенем компресора з однорядними лопатковим вінцями на режимах близьких до розрахункового в дворядних лопаткових вінцях відмічається дещо вищий рівень втрат (зниження ККД) (рис. 6 б). Також слід зазначити, що результати чисельного розрахунку характеристик ступеня компресора з дворядними лопатковими вінцями досить добре співвідносяться з результатами досліджень інших авторів.

В дисертаційній роботі проводилась оптимізація геометричних параметрів міжлопаткового каналу плоских перерізів дворядних лопаткових вінців робочого колеса та напрямного апарату, а саме конструктивних кутів виходу першої лопатки та конструктивних кутів входу другої лопатки в одинадцяти плоских перерізах для лопаток робочого колеса та в десяти перерізах для лопаток напрямного апарату. Оптимізація проводилась на розрахунковому режимі роботи ступеня , . Оптимальні значення конструктивних кутів та досягались при 5 - 7 ітераціях в кожному плоскому перерізі лопаток робочого колеса та напрямного апарата. Така відмінність в ітераціях обумовлена шириною інтервалу, зміни конструктивного кута , який був різний в кожному з перерізів. В середньому ширина інтервалу коливалась від ± 6 до ± 10.

В результаті оптимізації конструктивних кутів та були отримані їх нові значення (рис. 7, 8).

Нові значення конструктивних кутів та дозволили для лопаток робочого колеса, зменшити втрати повного тиску в середньому на 5,4 %, а кут відставання потоку зменшити в середньому на 2,4 % (рис. 9). Для лопаток напрямного апарату, втрати повного тиску знизились в середньому на 7,5 %, кут відставання потоку в середньому зменшився на 11,5 % (рис. 10)

При експериментальних дослідженнях модельної дворядної компресорної решітки, побудованої з оптимізованих профілів дворядного лопаткового вінця робочого колеса на середньому перерізі, були отримані залежності втрат повного тиску та кута повороту потоку від кута атаки. Порівняння результатів експериментальних та чисельних досліджень показало, що відносне відхилення між експериментальними та чисельними даними для втрат склало близько 1,42%, а для кута закрутки потоку близько 0,45% - це свідчить про те, що модель турбулентної в'язкості в сукупності з методами чисельної газодинаміки, реалізованими в розрахунковому комплексі Fluent досить добре підходить до вирішення задач подібного типу.

В роботі отримані характеристики ступеня осьового компресора, з оптимізованим на розрахунковому режимі роботи (, ) геометричними параметрами міжлопаткового каналу дворядних лопаткових вінців робочого колеса та напрямного апарата (рис. 11).

лопатковими вінцями РК та НА від приведеної швидкості

Оптимізація дозволила підвищити ККД ступеня при понижених витратах повітря (ліва гілка характеристики) в середньому на =5,6%, при цьому при підвищених витратах повітря (права гілка характеристики) спостерігається зниження ККД в середньому на =3 % рис. 11. Аналіз ступеня підвищення тиску показав не значну його зміну (менше 1%), тому подальший аналіз впливу оптимізації на ступінь підвищення тиску не проводився.

Висновки

Характерною тенденцією розвитку авіаційного двигунобудування є підвищення параметрів робочого процесу (температури газу перед турбіною, ступеня підвищення тиску у компресорі) та зменшення ваги і габаритних розмірів силових установок. Для забезпечення таких вимог необхідна розробка малогабаритних, високонапірних та високопродуктивних компресорів, що можливе шляхом підвищення роботи кожного ступеня. Одним з підходів до вирішення таких задач є застосування дворядних лопаткових вінців в ступенях осьового компресора. Проте, при наявності великої кількості різноманітних конфігурацій дворядних лопаток, недостатньо приділялось уваги оптимізації їх геометричних параметрів. Змінюючи кривизну, хорду та орієнтацію лопаток однієї відносно іншої можна комбінувати навантаженням та втратами в відповідності до мети застосування. Таким чином проведення досліджень, пов'язаних з визначенням впливу форми дворядних лопаток на характеристики ступенів компресора є необхідними і актуальними та відповідають потребам авіаційного двигунобудування.

В дисертаційній роботі на базі виконаних досліджень отримала нове рішення науково-прикладна задача підвищення ефективності трансзвукових ступенів осьового компресора з дворядними лопатковими вінцями за рахунок оптимізації геометричних параметрів міжлопаткового каналу.

На підставі проведених чисельних та експериментальних досліджень можна зробити наступні висновки:

1. Застосування в ступені трансзвукового осьового компресора дворядних лопаткових вінців робочого колеса та напрямного апарата, спрофільованих згідно існуючих рекомендацій, дозволило підвищити запас газодинамічної стійкості на =40ч50%, підвищити ступінь підвищення тиску в середньому на =4ч7% поблизу границі відриву, та на =7ч10% поблизу границі запирання, при одночасному зростанні ККД ступеня відповідно на =20ч40 % та на =60ч 85% (в залежності від режиму роботи) на нерозрахункових режимах, в порівнянні з ступенем компресора з однорядними лопатковими вінцями. На режимах близьких до розрахункового спостерігається незначне зростання приблизно на =1% та зниження ККД на =2,2% ч 4,3% (в залежності від режиму роботи).

2. Чисельна оптимізація геометричних параметрів міжлопаткового каналу дворядних лопаткових вінців робочого колеса та напрямного апарата (конструктивні кути входу першої та виходу другої лопаток) на розрахунковому режимі роботи ступеня дозволила отримати нові значення цих параметрів, що привело до зниження втрат повного тиску в середньому на 5,4% та зменшення кута відставання потоку в середньому на 2,4% для лопаткових вінців робочого колеса. Для лопаткових вінців напрямного апарату, втрати повного тиску знизились в середньому на 7,5%, кут відставання потоку в середньому зменшився на 11,5%.

3 Застосування дворядних лопаткових вінців з оптимізованими геометричними параметрами міжлопаткового каналу в трансзвуковому ступені осьового компресора, дозволило підвищити ККД ступеня при понижених витратах повітря (ліва гілка характеристики) в середньому на =5,6%. При підвищених витратах повітря (права гілка характеристики) ККД зменшився в середньому на =3 %. Аналіз ступеня підвищення тиску показав не значну його зміну (менше 1%).На розрахунковому режимі роботи ступеня ККД підвищився в середньому на =1,2ч2% (в залежності від режиму роботи). Такий результат свідчить про те, що при проведені оптимізації необхідно ретельно ставитись до вибору режиму роботи ступеня компресора, на якому проводиться оптимізація.

4. Аналіз структури течії в проточній частині трансзвукового ступеня осьового компресора, який досліджувався з однорядними, дворядними неоптимізованими та дворядними оптимізованими лопатковими вінцями робочого колеса та напрямного апарату, показав, що першим в нестійку роботу входить лопатковий вінець напрямного апарата.

5. Розроблена методика оптимізації геометричних параметрів міжлопаткового каналу дворядних лопаткових вінців може бути використана при проектуванні та модернізації ступенів компресора, що дозволить підвищити їх ефективність.

Результати дисертаційних досліджень можуть бути використані науково-дослідними установами та підприємствами промисловості при модернізації існуючих та проектуванні нових газотурбінних двигунів.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Терещенко Ю.М., Панин В.В., Кирчу Ф.И. Методы оптимизации формы лопаток при аэродинамическом проектировании околозвуковых каскадов компрессоров газотурбинных двигателей // Авиационно-космическая техника и технология. -Х.: Нац. Аэрокосм. ун-т. (ХАИ), 2004. - №7(15). - С. 47-51.

2. Панин В.В., Кирчу Ф.И.,. Кинащук И.Ф., Гоздецкий И.И. Информационно-измерительный комплекс для исследования квазитрёхмерных течений газовых потоков в решётках турбомашин// Матеріали VI Міжнародної науково-технічної конференції "Авіа-2004". - К.: НАУ, 2004. - Т.3. - С.28-31.

3. Волянская Л.Г., Кирчу Ф.И., Панин В.В., Терещенко Ю.Ю. Определение коэффициентов подъёмной силы и сопротивления профиля в компрессорной решётке// Авиационно-космическая техника и технология. - Х.: Нац. Аэрокосм. ун-т. (ХАИ), 2005 - №8(24). - С. 134-137.

4. Терещенко Ю.M., Волянська Л.Г., Кірчу Ф.І., Терещенко Ю.Ю. Інтегро-диференційний метод визначення оптимальних параметрів решіток аеродинамічних профілів // Збірник наукових праць. Державного науково-дослідного інституту авіації. - К., 2005. - №8. - С.189-194.

5. Кірчу Ф.І. Експериментальний стенд для дослідження плоских решіток турбомашин // Вісник НАУ, 2005. - №4. - С.97 - 100.

6. Кірчу Ф.І., Кінащук І.Ф., Сунь Гаоюн. Спосіб оцінки запасу газодинамічної стійкості компресора газотурбінного двигуна в процесі експлуатації// Вісник НАУ, 2005. - №1. - С.112 - 114.

7. Пат. 13488 А Україна, МПК7 G01N3/00 Спосіб оцінки запасу газодинамічної стійкості компресора газотурбінних двигунів в умовах експлуатації. / Волянська Л. Г., Кінащук І.Ф., Кірчу Ф.І., Панін В.В.; НАУ - № 200505246; Заявл. 02.06.2005; опубл. 17.04.06., Бюл. № 4. -3 с.

8. Пат. 76313 А Україна, МПК7 G01М9/00 Пристрій для визначення аеродинамічних характеристик компресорних решіток / Волянська Л.Г., Кірчу Ф.І., Панін В.В., Терещенко Ю.М.; НАУ - № 20040907245; Заявл. 03.09.2004; опубл. 17.07.06., Бюл. № 7. - 3 с.

9. Кірчу Ф.І. Застосування методів чисельної газодинаміки для дослідження характеристик компресорних решіток // Матеріали VШ Міжнародної науково-технічної конференції "Авіа-2007". - К.: НАУ, 2007. - Т.2. - С. 52 - 55.

АНОТАЦІЯ

Кірчу Ф.І. Оптимізація геометричних параметрів між лопаткового каналу дворядних лопаткових вінців трансзвукових ступенів осьового компресора. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.07.05 - двигуни та енергоустановки літальних апаратів. - Національний авіаційний університет, Київ 2007.

Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної наукової задачі з підвищення ефективності трансзвукових ступенів осьового компресора з дворядними лопатковими вінцями шляхом оптимізації геометричних параметрів міжлопаткового каналу.

Проведений аналіз сучасного стану проблеми підвищення аеродинамічної навантаженості та ефективності компресорів авіаційних газотурбінних двигунів.

Розроблена методика оптимізації геометричних параметрів міжлопаткового каналу дворядних лопаткових вінців та наведена методика чисельних досліджень характеристик ступенів осьового компресора і плоских компресорних решіток

Наведені результати чисельних та експериментальних досліджень характеристик ступенів осьового компресора з однорядними, дворядними та дворядними оптимізованим лопатковими вінцями робочого колеса і напрямного апарата.

Ключові слова: ступінь компресора, дворядні лопатки, оптимізація, ефективність.

АННОТАЦИЯ

Кирчу Ф.И. Оптимизация геометрических параметров межлопаточного канала двухрядных лопаточных венцов трансзвуковых ступеней осевого компрессора. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.07.05 - двигатели и энергоустановки летательных аппаратов. - Национальный авиационный университет, Киев 2007.

Диссертационная работа посвящена решению актуальной научной задачи по повышению эффективности трансзвуковых ступеней осевого компрессора с двухрядными лопаточными венцами путем оптимизации геометрических параметров межлопаточного канала.

Проведен анализ современного состояния проблемы повышения аэродинамической нагруженности и эффективности компрессоров авиационных газотурбинных двигателей. Показано, что одним из подходов к решению такой задачи, является применение двухрядных лопаточных венцов в ступенях осевого компрессора. Также отмечено, что наиболее сложным вопросом при проектировании двухрядных лопаточных венцов является определение рациональных параметров межлопаточного канала. Варьируя этими параметрами можно достаточно существенно влиять на характеристики ступени компрессора.

Отмечено, что с точки зрения повышения аэродинамической нагружености ступени осевого компрессора, более целесообразным является, использование рабочих колес с двухрядными лопаточными венцами. Известно всего несколько работ посвященных таким исследованиям. Менее всего исследованным вопросом является совместное применение двухрядных лопаточных венцов рабочего колеса и направляющего аппарата в ступени осевого компрессора.

Разработана методика оптимизации геометрических параметров межлопаточного канала двухрядных лопаточных венцов и приведена методика численных исследований характеристик ступеней осевого компрессора и плоских компрессорных решеток, с применением современных методов численной газодинамики.

Разработан экспериментальный стенд для исследования плоских компрессорных решеток, и проведены экспериментальные исследования оптимизированной по критерию минимума потерь полного давления, двухрядной компрессорной решетки, построенной из профилей на среднем радиусе лопаточного венца рабочего колеса ступени осевого компрессора.

Приведены результаты численных и экспериментальных исследований характеристик ступеней осевого компрессора с однорядными, двухрядными и двухрядными оптимизированными лопаточными венцами рабочего колеса и направляющего аппарата. Приведены результаты оптимизации геометрических параметров межлопаточного канала двухрядных лопаточных венцов. Проведено сравнение характеристик двухрядной компрессорной решетки, построенной из оптимизированных профилей двухрядного лопаточного венца, полученных численными и экспериментальными методами.

Ключевые слова: ступень компрессора, двухрядные лопатки, оптимизация, эффективность.

ABSTRACT

Kirchu F. Optimization of gap channel geometrical parameters of transonic axial compressor with tandem blade row. The manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of Cand.Tech.Sci. on a specialty 05.07.05 - engines and powerplant of flying vehicles. - National aviation university, Kiev 2007.

Dissertation work is devoted to the decision of actual scientific task from the increase efficiency of transonic axial compressor with tandem blade rows by optimization of gap channel geometrical parameters.

Carried out analysis of the modern state of problem of increasing aerodynamic loading and efficiency of aviation gas-turbine engine compressors.

The developed optimization method of gap channel geometrical parameters of transonic axial compressor with tandem blade rows and compressor cascade.

The results of numeral and experimental researches of axial compressor performances with single blade rows and tandem rotor and stator blade rows are presented.

Keywords: compressor stage, tandem blade, optimization, efficiency.

Размещено на Allbest.ru