Нестационарное статор-ротор взаимодействие решеток профилей и его моделирование при проектировании «акустической» лопатки вентилятора

В настоящее время перед компаниями, создающими газотурбинные двигатели, стоит серьезная задача по созданию экологически совершенного двигателя. Выполнение требований ИКАО по шуму является необходимым условием успешной эксплуатации самолетов.

Основным источником шума авиационного газотурбинного двигателя с большой степенью двухконтурности является вентилятор. В связи с этим актуальной является задача проектирования вентиляторной ступени с низким уровнем шума.

Эта задача решается путем уменьшения генерации акустической мощности в источнике в результате нестационарного статор-ротор взаимодействия. Для этого требуется глубокое понимание физики процессов, происходящих при газодинамическом взаимодействии потока газа с рабочей лопаткой и направляющим аппаратом. Решить данную задачу можно расчетными и экспериментальными методами.

Прогресс в области вычислительной техники, совместно с последними достижениями в численных методах, позволяет решить задачу о моделировании нестационарного взаимодействия и распространения акустических волн на достаточно высоком уровне.

Одним из основных, если не главным, направлением совершенствования газотурбинных двигателей является повышение их экологичности, в частности, снижение уровня шума. Требования по экологии для гражданских воздушных судов изложены в томе I по шуму и в томе II по эмиссии в форме приложения 16 к Чикагской конвенции по гражданской авиации.

Нормы по шуму самолетов и авиадвигателей непрерывно ужесточаются (рисунок 1, 2). Первые нормы ИКАО по шуму вступили в действие 16 августа 1973 года в виде Главы 2 (том I приложение 16), в 1977 году — более жесткие нормы Главы 3, а с 1 января 2006 года были введены новые нормы Главы 4. За.

30 лет произошло ужесточение требований, но шуму магистральных самолетов на 30 HPN дБ по сумме в трех контрольных точках.

1960 1970 19S0 1990 2000 2010 2020.

Годы.

Рис. 1. Динамика ужесточения требований ИКАО по шуму самолетов на местности.

Рис. 2. Показатели акустического совершенства российского и мирового парка самолетов.

Ужесточение экологических норм вызвано тем, что устойчивое увеличение авиаперевозок приводит к росту неблагоприятного воздействия авиации на окружающую среду, и проблема экологии остается весьма актуальной.

В настоящее время в российских авиакомпаниях преобладают отечественные самолеты, сертифицированные по требованиям норм шума Главы 2 стандарта РЖ АО (рисунок 2). Поэтому для гражданской авиации актуален ряд проблем, решение которых крайне необходимо для сохранения российского сектора рынка международных пассажирских и грузовых авиаперевозок и сохранения статуса России как мировой авиационной державы. Для их решения в России принята «Комплексная программа работ на период 2002 — 2010 годы по проблеме снижения шума, эмиссии и повышения точности навигации отечественных самолетов и вертолетов в обеспечение требований норм ИКАО и ЕС».

Главными целями Программы являются обеспечение соответствия эксплуатируемых и вновь создаваемых самолетов и вертолетов современным и перспективным нормам ИКАО по шуму и эмиссии, а также создание опережающего научно-технического задела для разработки новых методов снижения шума и эмиссии.

Отечественная программа по снижению шума самолетов предусматривает комплекс мер по созданию нового двигателя с пониженным уровнем шума. Двигатель нового поколения будет обладать высокой степенью двухконтурности, иметь биротативный вентилятор с широкохордными рабочими лопатками и минимально возможным расстоянием между ротором и статором.

Обеспечение работоспособности высоконагруженных лопаток невозможно без новой системы проектирования, учитывающей характеристики реальной среды функционирования турбомашин, в первую очередь нестационарность газовых сил, действующих на лопатки.

В процессе изучения нестационарных явлений на основе натурного эксперимента создана большая база знаний, позволяющая делать значимые для практики оценки вновь разрабатываемых конструкций турбомашин. Наиболее полно эта база знаний представлена в работах Центрального института авиационного моторостроения (ЦИАМ) [2].

Однако, процесс натурного эксперимента очень дорогостоящий, поэтому решать задачу о снижении шума необходимо еще на этапе проектирования. Прогресс в области вычислительной техники, совместно с последними достижениями в численных методах, уже на этапе проектирования делает возможным оптимизировать основные геометрические параметры турбомашины. Разумеется, применение в процессе проектирования математических моделей не отменяет необходимости проведения экспериментальных исследований и экспериментального подтверждения надежности и работоспособности как самих конструкций газотурбинных двигателей, так и используемых математических моделей. Тем не менее, практическое применение численного моделирования нестационарных явлений позволяет существенно повысить техническую культуру проектирования турбомашин и получить значимые для принятия решений оценки.

Таким образом, основным путем решения проблемы проектирования малошумного двигателя является разработка эффективных математических моделей.

Выбор подхода к задаче численного моделирования шума от какого-либо элемента или узла двигателя, прежде всего, зависит от механизма генерации акустических пульсаций и от образующегося при этом типа акустического источника. В качестве примера на рисунке 3 приведено типичное распределение шума от отдельных узлов ТРДД со степенью двухконтурности 5 в системе самолет-двигатель [1]. Как видно, наибольший раздражающий эффект вызван шумом вентиляторной ступени. Однако с уменьшением степени двухконтурности вклад шума сопла возрастает.

На рисунке 3 по оси абсцисс цифрами обозначены следующие величины:

1. Полный уровень шума.

2. Шум вентилятора, излучаемый из воздухозаборника.

3. Шум вентилятора, излучаемый из сопла.

4. Шум камеры сгорания.

5. Шум турбины.

6. Шум струи.

7. Шум планера. а) б).

Рис. 3. Вклад отдельных источников в полный уровень шума двигателя при режиме захода на посадку (слева) и при взлетном режиме (справа), а) степень двухконтурности 5, б) степень двухконтурности 3.

Задачу оценки шума можно разбить на два этапа. Первый этапчисленное моделирование структуры потока в области, непосредственно примыкающей к источнику, с учетом нелинейных эффектов. Второй этаписпользование линейной теории по распространению колебаний малой амплитуды в области, несколько удаленной от источника, где эффектами нелинейности потока можно пренебречь.

На основании вышесказанного следует, что для решения задачи проектирования малошумного вентилятора необходимо решение совместной задачи аэродинамики и акустики. Существующие в настоящее время решатели такого типа являются достаточно трудоемкими и требуют большое количество временных ресурсов. В связи с вышеизложенным, является актуальной тема диссертационной работы, посвященная моделированию нестационарного статор-ротор взаимодействия решеток профилей и его применению при проектировании «акустической» лопатки вентилятора.

Работа выполнена на кафедре «Общая физика» Рыбинской государственной авиационной технологической академии имени П. А. Соловьева и открытом акционерном обществе «Научно производственное объединение «Сатурн».

Цель исследования.

Физико-математическое моделирование нестационарного взаимодействия решеток с целью создания расчетной методики проектирования «акустической» лопатки вентилятора.

Метод исследования.

Поставленные в диссертационной работе задачи решены с использованием а) метода крупных частиц — метода прямого численного интегрирования уравнений газовой динамикиб) разложения функции в бесконечный ряд Фурьев) аэроакустической аналогии, полученной Лайтхиллом.

Научная новизна результатов.

Решена сопряженная задача аэродинамика-акустика на основе физико-математического моделирования нестационарного взаимодействия решеток с верификацией по натурному эксперименту, позволяющая проводить оптимизацию акустических характеристик лопатки вентилятора по минимуму генерируемого шума ГТД на этапе проектирования, существенно сокращая натурный эксперимент.

Практическая ценность.

Практическая ценность состоит в следующем:

1. Разработан программный комплекс, использующийся для численного исследования нестационарного газодинамического взаимодействия соседних решеток профилей.

2. Результаты численного газодинамического эксперимента являются граничными условиями расчета шума вентилятора в контрольных точках.

3. Результаты акустического расчета ступени вентилятора могут использоваться как критерии проектирования турбомашин.

Достоверность результатов работы.

Достоверность результатов работы достигается:

1) использованием основных газодинамических и акустических законов;

2) использованием лицензионных программных продуктов, имеющих большую базу сравнения с экспериментальными данными;

3) согласованием расчетных данных с результатами натурного эксперимента, полученными на открытом испытательном стенде (эксперимент был поставлен на полноразмерном ГТД);

4) постановкой эксперимента на оборудовании, прошедшем метрологическую аттестацию и имеющем сертификаты российского и зарубежного образца.

Внедрение результатов.

Программный комплекс StRt применяется на ОАО «НПО «Сатурн» для проектирования нестационарного статор-ротор взаимодействия лопаток турбин и компрессоров.

ВЫВОДЫ.

1. Разработанная модель решения задачи нестационарного статор-ротор взаимодействия, в основе которой лежит решение нестационарных уравнений Навье Стокса методом контрольных объемов с неявной коррекцией по давлению, позволяет с погрешностью не более 10% получить нестационарную картину течения в межлопаточном канале турбомашины.

2. Верификация разработанной модели и методики передачи данных через границу раздела двух областей и их сравнение с экспериментом показали возможность использования газодинамического комплекса для решения задач акустики с потерей нестационарных пульсаций, менее чем 5% по интенсивности.

3. Разработанный алгоритм решения совместной задачи газодинамики и акустики по определению шума элемента ГТД дает возможность с точностью до 3% спрофилировать элемент турбомашины, удовлетворяющий требованиям по шуму и газовой динамике.

4. При сравнении суммарных диаграмм направленности шума вентилятора в задней полусфере в дальнем поле на расстоянии 46 м от оси показало, что в точке максимальной величины суммарного уровня звукового давления вентилятора в целом (120°) отклонение расчетных данных от эксперимента составляет 0.44 дБ, что позволяет проводить численную оценку акустических свойств с точностью меньше 1,0 дБ.