Пространственное профилирование лопаточных венцов турбины на базе расчета потенциального потока газа

ф Актуальность работы. При создании современного авиационного и наземного газотурбинного двигателя задача повышения к.п.д. и надежности его узлов является одной из наиболее важных. Решение этой задачи требует детального исследования газодинамических процессов в узлах двигателя: компрессоре, турбине, смесителе и т. д. Высокая стоимость эксперименталь-^ ных исследований приводит к необходимости численного моделирования процессов и переходу к новому научному направлению — оптимальному проектированию на основе численного расчета трехмерного течения.

Появление моделей трехмерного течения в сочетании с возможностями Ф вычислительной техники позволило поставить задачу об оптимальном пространственном профилировании.

Под пространственным профилированием понимается согласно [9] «. возможность осуществлять доводку оптимизируемой ступени с помощью ^ трехмерной модели. Эта доводка может касаться уточнения распределения по высоте лопатки углов установки плоских сечений, осевых и окружных навалов, проектирования саблевидной формы лопатки». Естественно, оптимальным считается энергетически эффективный, надежный и технологичный элемент ГТД. Ф Оправдано использование моделей разного уровня, т. к. расчетные исследования выполняются таким образом, что перед завершающим этапом, на котором проводятся расчеты трехмерного вязкого потока, геометрия проточной части определяется по результатам расчетов по надежным упрощенным моделям [29]. Поскольку оптимизация проточной части двигателя достигается в итоге итерационных решений газодинамических задач, то при своей программной реализации методы должны обеспечивать высокое быстродействие, чтобы можно было организовать рациональный диа-ф лог проектировщика и ЭВМ [31].

На рисунке 1 представлена блок-схема проектирования турбины ГТД сложившаяся в настоящее время. Из нее хорошо видно, что процесс проектирования состоит из ряда расчетов с увеличивающейся размерностью уравнений, описывающих газодинамические процессы в турбине.

В настоящее время широкое распространение получило мнение, что для достижения физической адекватности минимально допустимым уровнем моделирования течений и определения КПД ступени турбины является моделирование вязкого трехмерного течения. Однако из-за все еще существующих ограничений в быстродействии ЭВМ не представляется возможным напрямую включить в процесс оптимального проектирования расчеты трехмерного вязкого течения.

Поэтому очень рациональным представляется подход, в котором оптимизация проточной части выполняется с помощью осесимметричного и быстрого пространственного метода расчета течения без учета вязкости, а модели трехмерного и вязкого турбулентного потока привлекаются на заключительном этапе.

Для решения задачи о пространственном потоке газа без учета вязкости могут быть применены модели на основе уравнений Эйлера и уравнений потенциала скорости.

Хотя имеется значительный прогресс в численном решении уравнений Эйлера, численное моделирование трехмерных сжимаемых вихревых течений так сложно, что вычислительные затраты до настоящего времени достаточно значительны.

При использовании модели потенциального потока газа интегрирование одной переменной — потенциала скорости — вместо трех составляющих скорости, использование метода исключения для решения системы линейных уравнений вместо итерационного, позволяет ожидать значительного сокращения вычислительных затрат.

Рисунок 1 — Последовательность этапов оптимального проектирования турбины (без расчетов системы охлаждения и термопрочности).

При этом необходимо провести надлежащую верификацию для повышения надежности и достоверности результатов расчетов.

В настоящее время возникает задача не только правильно рассчитать процесс пространственного течения, но и предложить мероприятия по совершенствованию лопаточного канала турбины или другого элемента проточной части двигателя с целью повышения их энергетической эффективности. Это можно сделать или путем проведения многовариантных расчетов, задавая параметры профилей лопаточного венца в системе профилирования, или метом решения обратной задачи, отыскивая профиль по заданному распределению скоростей. Естественно, что сделать это можно при наличии быстродействующего метода расчета потока газа и удобной системы профилирования.

Поэтому разработка предложений по газодинамическому совершенствованию лопаточных каналов турбины и других элементов двигателя с использованием быстрого метода пространственного профилирования на основе расчета трехмерного потока газа является актуальной задачей.

Цель и задачи работы.

Целью работы является разработка обоснованных конструктивных рекомендаций на основе оптимального пространственного профилирования лопаточных венцов турбины.

Основные задачи исследования.

1. Разработать методику, алгоритмы и программы расчета пространственного потока газа с высоким быстродействием в лопаточных венцах турбины и лепестковом смесителе.

2. Провести экспериментальное исследование лопаточных венцов турбины и лепесткового смесителя для анализа особенностей пространственного потока и проверки разработанных алгоритмов и программ.

3. На основе проведенного анализа рассмотреть возможность применения известных критериев газодинамического совершенства для сравнения различных вариантов лопаточных венцов турбины и лепестковых смесителей.

4. Используя разработанную методику расчета и принятые критерии провести вариантные расчеты лопаточных каналов турбины, лепестковых смесителей и предложить обоснованные конструктивные рекомендации по их совершенствованию.

Методы исследования. Для решения поставленных задач были использованы численные методы высшей математики, программа профилирования венцов турбины, экспериментальные исследования на газодинамическом стенде для плоских решеток и венцов турбины, секторная модель форсажной камеры, результаты экспериментальных и штатных измерений в элементах проточной части авиационного ГТД при наземных испытаниях.

Научная новизна. Новизна работы заключается в результатах исследований малоизученных пространственных процессов течения газа в лопаточных каналах турбины, которые выявили новые газодинамические закономерности пространственного потока и впервые позволили:

— разработать новый тип газодинамически эффективной рабочей лопатки (PJI) турбины с относительным шагом периферийного профиля больше 1, что позволяет значительно уменьшить число лопаток или снизить напряжения в корне лопатки;

— разработать короткую 6-ти стоечную заднюю опору двухконтурного турбореактивного двигателя с диффузорным межлопаточным каналом эффективно выравнивающую поток за турбиной.

Достоверность и обоснованность научных результатов базируется на применении основных законов сохранения, применением известных критериев оценки газодинамического совершенства, подтверждается сравнением полученных численных результатов с известными аналитическими и с опубликованными расчетными и экспериментальными данными, а также результатами собственных экспериментов.

Практическое значение работы. Внедрение предложенных в работе рекомендаций позволило спроектировать элементы высокоэффективных турбин и смесителей авиационных двигателей НК-56, НК-93, РД600 В, газотурбинных двигателей наземного применения НК-38СТ, ГТД4РМ, морского ГТД четвертого поколения М75РУ и ряда других ГТД из тематического плана ОАО «НПО «Сатурн». Созданные алгоритмы и программные модули используются при проектировании и доводке авиационных двигателей и газотурбинных установок в ОАО СНТК им. Н. Д. Кузнецова (г. Самара), ОАО «НПО «Сатурн» (г. Рыбинск) и НТЦ им. А. Люлька (г. Москва). Полученные представления о пространственном профилировании «НПО «Сатурн» широко применяет в практике проектирования турбин новых газотурбинных двигателей, а РГАТА — в учебном процессе на кафедре «Авиационные двигатели».

Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях, сессиях и семинарах:

— II Межотраслевая научно-техническая конференция «Проблемы газовой динамики двигателей и силовых установок», ЦИАМ, 1990 г.;

— I Всесоюзная конференция «Математической моделирование физико-химических процессов в энергетических установках», г. Казань, 1991 г.;

— Республиканская научно-техническая конференция «Математическое моделирование и вычислительный эксперимент для совершенствования энергетических и транспортных турбоустановок», г. Змиев, 1991 г.;

Всесоюзная межвузовская конференция «Газотурбинные и комбинированные установки», г. Москва, 1991 г.;

— Международная научно-техническая конференция «Проблемы и перспективы развития двигателестроения», г. Самара, 2003 г.;

— XII Всесоюзная межвузовская научно-техническая конференция «Газотурбинные и комбинированные установки и двигатели», г. Москва,.

2004 г.;

— LI Научно-техническая сессия по проблемам газовых турбин РАН, г. Уфа, 2004 г.;

— заседание кафедры «Авиационные двигатели» Рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П. А. Соловьева в.

2005 г.

Публикации. Результаты работы опубликованы в шести статьях, семи тезисах докладов и в патенте на полезную модель.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и 2-х приложений (акт внедрения, исходные модули программы расчета пространственного потока газа).

3.3 Выводы по главе.

Разработанный метод пространственного профилирования успешно применен для лопаточных каналов турбины и лепесткового смесителя, и может быть использован для САПР ГТД и расчета течений с учетом трения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Поставленные задачи повышения газодинамической эффективности лопаточных каналов турбины и лепесткового смесителя при проектировании и доводке решены: определены способы, разработаны и применены рекомендации для газодинамического совершенствования с учетом пространственных особенностей потока.

1. Разработана надежная методика, алгоритмы и программы расчета потока газа с высоким быстродействием на основе применения неявной численной схемы для потенциального потока газа с конечно-элементной формулировкой, что подтверждено результатами экспериментов и успешного внедрения в практику проектирования ГТД.

2. Разработанная методика применена для оптимального (с использованием принятых критериев газодинамического совершенства) пространственного профилирования лопаточных каналов турбины :

— с профилированными меридианными трактовыми образующими;

— с наклоненными и саблевидными лопатками СА;

— с рабочей лопаткой с уменьшенной хордой периферийного профиля;

— с профилированной трактовой поверхностью.

3. Проведено численное и экспериментальное исследование пространственного потока в лопаточных каналах турбины и лепестковом смесителе. Обнаружены особенности потока важные для проектирования этих элементов ГТД:

— существенное отличие обтекания профилей в плоском и пространственном случаях для СА турбины с меридианным раскрытием;

— возможность уменьшения ниже оптимальной (для плоского профиля) величины хорды периферийного профиля РК турбины;

— возникновение компланарных потоков за лепестковым смесителем, дополнительно (относительно смешения за счет развитого периметра JIC) интенсифицирующих смешение;

— увеличение вторичных потерь при уменьшении числа лепестков смесителя сопоставимое с уменьшением потерь трения из-за уменьшения поверхности смесителя.

4. На основе проведенных исследований предложена формула для определения максимально возможного относительного шага решетки периферийных профилей РК с учетом пространственного потока.

5. Внедрение предложенных в диссертации решений и рекомендаций позволило спроектировать турбины и лепестковые смесители авиационных двигателей НК-93, НК-56, РД600 В, наземных двигателей НК-38СТ, ГТД-4РМ, морского ГТД 4-го поколения М75РУ, заднюю опору ТРДД ДЗОКП/З «Бурлак» с высокими характеристиками, удовлетворяющими техническим требованиям.

6. Полученные представления о пространственном профилировании широко применяются «НПО «Сатурн» при проектировании турбин новых газотурбинных двигателей.

Основные публикации по работе.

1 Печенкин, А. Н. Расчет трехмерного течения идеального газа в канале методом конечных элементов [Текст] / А. Н. Печенкин, Б. Д. Фишбейн // Проектирование и доводка авиационных ГТД: сб. трудов. -Куйбышев: КуАИ, 1984. — С. 54 — 57.

2 Печенкин, А. Н. Математическая модель поверхности лепесткового элемен-та смесительного устройства ТРДД [Текст] / А. Н. Печенкин //Изв. вузов. Авиационная техника. — 1985. — № 1. — С. 80- ЦНТИ «Волна». — Деп. № Д5 761.

3 Печенкин, А. Н. Расчет трехмерного потенциального течения газа в конфу-зорном канале с лепестковым смесителем и центральным телом [Текст] / А. Н. Печенкин // Проектирование и доводка авиационных ГТД: сб. трудов. — Куйбышев: КуАИ, 1985. С. 109−114.

4 Печенкин, А. Н. Приближенный расчет трехмерного пограничного слоя на поверхности лепесткового смесителя ТРДЦ [Текст] / А. Н. Печенкин, Б. Д. Фишбейн // Проектирование и доводка авиационных ГТД: сб. трудов. — Куйбышев: КуАИ, 1986. — С. 96 — 100.

5 Мамаев, Б. И. Моделирование и результаты исследования пространствен-ного потока в осевой турбине [Текст] / Б. И. Мамаев, А. Н. Печенкин // Проблемы газовой динамики двигателей и силовых установок: тез. докл. республиканской науч.-техн. конф. — Харьков: ИП Маш АН УССР, 1991. — С. 59−60.

6 Мамаев, Б. И. Расчетно-экспериментальное исследование пространственного потока в сопловом аппарате турбины [Текст] / Б. И. Мамаев, А. Н. Печенкин, Т. И. Шуверова // Теплоэнергетика. — 1992. -№ 6.-С. 33−37.

7 Мамаев, Б. И. Анализ потока в сопловом аппарате газовой турбины [Текст] / Б. И. Мамаев, А. Н. Печенкин, Т. И. Шуверова // Проектирование и доводка авиационных ГТД: сб. трудов. — Самара: САИ, 1992. — С. 69−79.

8 Карпов, Ф. В. Опыт создания турбин с саблевидными сопловыми аппаратами [Текст] / Ф. В. Карпов, С. М. Пиотух, А. Н. Печенкин // Проблемы и перспективы развития двигателестроения: тез. докл. Междунар. науч.- техн. конф. — Самара: СГАУ, 2003. — С. 120−121.

9 Карпов, Ф. В. Пространственное профилирование рабочей лопатки высокоперепадной турбины [Текст] / Ф. В. Карпов, А. Н. Печенкин, Р. В. Храмин // Газотурбинные и комбинированные установки и двигатели: тез. докл. XII всесоюз. Межвуз. конф. -М: МГТУ, 2004. С. 40−41.

10 Патент на полезную модель № 51 119 Российской Федерации, МПК7 F 02 М 7/00. Малый диффузор карбюратора. [Текст] / А. Н. Печенкин, заявитель и патентообладатель А. Н. Печенкин. — Заявка № 2 005 104 569- заявлено 18.02.2005; Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей 27.01.2006.