Разработка критериального метода расчета профильных потерь в турбинных решетках

При создании современного газотурбинного двигателя обеспечение высокого КПД в одном из основных его элементов — газовой турбинеявляется одной из самых актуальных задач, поскольку величина КПД существенно влияет на удельный расход топлива Сг в двигателе, в особенности на крейсерских режимах работы. Так, например, для двигателя с пт=0,5.0,6- Тг*=1500. 1600 К- 7Ск*=20.25 на максимальном режиме его работы снижение кпд ТНД и ТВД вызывает увеличение Сг соответственно приблизительно на 0,7 и 0,5%, а на крейсерском режиме работы двигателя эти величины возрастают примерно в 1,5 раза.

КПД турбины во многом определяется газодинамической эффективностью ее проточной части. Анализ конструкций высоконагруженных охлаждаемых турбин показывает, что основным резервом повышения их КПД в большинстве случаев является оптимизация лопаточных аппаратов. Сжатые сроки проектирования и доводки турбин обусловливают необходимость автоматизации процесса профилирования лопаточных аппаратов.

Введение

автоматизации требует пересмотреть подходы к процессу профилирования, с целью формализации оценки газодинамической эффективности профиля.

Достоверную информацию о газодинамической эффективности каждого из полученных сечений профиля может дать либо эксперимент, либо трехмерный анализ вязкого течения в турбине. Однако экспериментальные исследования требуют привлечения значительных средств и времени, а численные методы расчета вязкого течения в решетках пока требуют в каждом отдельном случае тестирования на сходных задачах, адаптации расчетной сетки, выбора адекватной модели турбулентности. Применение таких масштабных исследований в итерационном процессе профилирования, когда рассматриваются сотни вариантов, нерационально. Поэтому на практике стремятся использовать более быстрые модели, такие, как регрессионные зависимости [2, 4, 19]. Однако приведенные регрессии часто имеют ограниченную область применения (как по геометрическим, так и по режимным параметрам), что не удовлетворяет требованиям профилирования, где часто приходится рассматривать самые разнообразные варианты. По этой причине для оценки газодинамической эффективности профиля дополнительно приходится привлекать качественные методы, например, анализ оптимальности распределения скорости вдоль профиля лопатки, получаемого на базе быстродействующего невязкого расчета течения в межлопаточном канале. Вследствие этого процесс профилирования приобретает субъективный характер, требуя непосредственного участия в нем проектировщика. Результат профилирования во многом становится зависимым от квалификации проектировщика, поскольку решение о выборе оптимального профиля он вынужден принимать на основе личного опыта.

Эффективность методики профилирования может быть существенно повышена, если оценку газодинамического совершенства профиля проводить количественным методом, отвечающим следующим требованиям:

— использование для анализа не геометрических параметров профиля, а параметров потока в межлопаточном канале;

— широкая область применения (различная геометрия лопатки и различные углы атаки профиля);

— погрешность 10.20% (требуемая для инженерной практики);

— реализация в форме программного обеспечения, позволяющего производить расчет профильных потерь за время порядка 1 минуты;

— возможность сопряжения с программным комплексом оптимизации в качестве модуля для расчета функции отклика.

Для достижения этой цели необходимо:

— провести формализацию особенностей макрои микроструктуры потока в межлопаточном канале, порождающих потери. Для этого представить их описание с помощью безразмерных комплексов — критериев газодинамической эффективности течения;

— установить связь между величиной полученных критериев и уровнем профильных потерь в экспериментально исследованных решетках;

— получить регрессионную зависимость для определения профильных потерь;

— реализовать разработанный метод расчета в форме программного комплекса и провести его апробацию в области экспериментально исследованных решеток Атласа профилей [23], а также для профилей перспективных лопатокпровести экспериментальное исследование плоских пакетов перспективных решеток профилей для проверки разработанного метода расчета;

— интегрировать разработанный метод в состав программного комплекса профилирования с программной оптимизацией.

Объектом исследования является газовая динамика лопаточного аппарата турбины. Предметом исследования — структура течения и профильные потери в различных вариантах решеток, получаемых в процессе профилирования.

Методологическую и теоретическую основу исследования составляют научные труды в области газовой динамики турбин отечественных и зарубежных авторов, таких как классические работы Г. Ю. Степанова, В. Х. Абианца, М. Е. Дейча, В. И. Локая, М. Х. Мухтарова, а также труды в области газовой динамики Г. Н. Абрамовича, Л. Г. Лойцянского. Кроме того, значительный вклад в развитие методологической и теоретической базы исследований, выполненных в диссертации, оказали работы Б. И. Мамаева, Е. Н. Богомолова, В. Д. Бенедиктова, Б. А. Крылова и Ю. Р. Миронова. Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., профессору Ш. А. Пиралишвили за помощь при постановке задачи и обсуждении результатов исследования.

Для решения поставленных задач были использованы численные методы высшей математики, методы теории подобия и размерностей, методы статистического анализа, экспериментальные исследования на газодинамическом стенде для плоских решеток турбины. В числе информационных источников диссертации использованы данные: книг [1, 6, 7, 19] и других, журнальных статей [8, 33] и других, научных отчетов [4, 28] и других, материалов научных конференций [34, 37]. А также статистические данные из атласов турбинных решеток [23, 11] и результаты собственных расчетов и проведенных экспериментов [31].

Научная новизна.

Впервые предложен разработанный автором на основе методов теории подобия и размерностей с привлечением элементов математической статистики критериальный способ оценки газодинамической эффективности потока и разработана методика расчета определяющих критериев подобия по расчетному полю скорости в канале.

Достоверность и обоснованность научных результатов базируется на корректном применении основных законов сохранения, подтверждается результатами сравнения полученных данных с известными расчетными и экспериментальными данными.

Практическая значимость исследования.

Разработанная методика и программные модули используются при проектировании и доводке проточной части турбин авиационных газотурбинных двигателей ОАО «НПО «Сатурн».

Применение созданных алгоритмов расчета в рамках программной оптимизации профиля помогает сократить время профилирования лопатки турбины с 1−2 дней до нескольких часов.

Перспективным представляется использование критериев газодинамической эффективности течения в качестве дополнительных исходных данных при постановке обратной задачи профилирования.

Апробация результатов исследования.

Основные результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

— Всероссийская конференция молодых ученых «Проблемы исследований и разработок по созданию силовых и энергетических установок XXI века», Москва: ЦИАМ, 2000 г;

— 5-я Всероссийская конференция «Теплофизика процессов горения и охраны окружающей среды», Рыбинск: РГАТА, 2001 г.;

— II Международная научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов «Современные проблемы аэрокосмической науки и техники», Жуковский: ЦАГИ, 2002 г.;

— первая и вторая научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности», Москва: ОАО «ОКБ Сухого», 2002 г.;

— XIII и XIV Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А. И. Леонтьева, Москва, 2001 и 2003 г.;

— Всероссийская научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов «Проблемы создания перспективных авиационных двигателей» Москва: ЦИАМ, 2005 г.

Основные результаты работы опубликованы в научно-техническом сборнике ЦИАМ «Новые технологические процессы и надежность ГТД» вып.5, а также в издании «Справочник. Инженерный журнал» № 5, 2005 г.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 2 статьи, 4 доклада в трудах конференций и сборниках трудов молодых ученых, 7 тезисов докладов.

Выводы по главе.

1. На основании критериального метода расчета профильных потерь разработан программный комплекс, включающий в себя: расчет поля скорости в канале, расчет критериев газодинамической эффективности течения и определение профильных потерь по уравнению регрессии (3.7).

2. Апробация разработанного программного комплекса и его применение на этапе проектирования решеток профилей турбин изделия Е6 ОАО «НПО"Сатурн» показали, что по сравнению с численными методами он имеет на порядок меньшее время расчета. Применение разработанного программного комплекса в процессе проектирования турбины позволяет сократить затраты времени на создание профиля с 1 — 2 рабочих дней до нескольких часов.

3. В сравнении с другими регрессионными моделями метод обладает точностью прогноза того же порядка (25% от величины профильных потерь), но по сравнению с ними имеет более широкий диапазон применения (по геометрии профиля и углу атаки профиля).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе:

1. С использованием 7Г-теоремы и матриц размерностей разработана критериальная база оценки газодинамической эффективности потока.

2. Методами статистического анализа получено критериальное уравнение регрессии для расчета профильных потерь. Уравнение имеет коэффициент корреляции, равный 0,86.

3. Разработана и реализована в виде программного комплекса методика расчета профильных потерь по критериальному уравнению. По сравнению с численным расчетом течения вязкого газа в межлопаточном канале она имеет на порядок меньшую трудоемкость и время счетапо сравнению с известными полуэмпирическими моделями она обладает большим диапазоном применения при сопоставимой точности прогноза.

4. На основе разработанной методики в ОАО «НПО «Сатурн» внедрен программный комплекс профилирования, позволяющий проводить оперативную количественную оценку газодинамической эффективности профиля, использование которой дает возможность внедрить автоматизацию в процесс профилирования. Это позволяет сократить время профилирования лопатки с 1−2 рабочих дней до нескольких часов.

5. В лабораторных условиях ОАО «НПО «Сатурн» проведены тестовые экспериментальные исследования лопаточной решетки перспективной турбины в диапазоне М = 0,9.1,3. Сопоставление полученных экспериментальных данных с результатами расчета по критериальному методу показало погрешность расчета 5 .9% от измеряемой величины.