автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Газодинамическое совершенствование сложнопрофильных элементов проточной части ГТД методами структурного анализа

"'о -¿^ На правах рукописи

:

/

Шишкин Владимир Никифорович

УДК 621.438

Газодинамическое совершенствование сложнопрофильных элементов проточной части ГТД методами структурного анализа.

(Специальность 05.07.05 - тепловые двигатели летательных аппаратов)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Рыбинск 1997 г.

Работа выполнена ь Рыбинском конструкторском бюро моторостроения.

Научный руководитель - генеральный конструктор, доктор технических наук, академик PAT Новиков A.C.

Научный консультант - засл. деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Пиралишвили Ш.А.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Шепель В.Г.;

-кандидат технических наук, начальник отдела турбин, доцент Миронов Ю.Р.

Ведущее предприятие - Санкт-Петербургский Государственный технический университет.

Зашита состоится 1997 r_ в \2 часов

на заседании диссертационного совета Д 064. 42. 0( в Рыбинской Государственной авиационной технологической академии (г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53 ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГАТА.

Автореферат разослан 1997 г.

Ученый секретарь

кандидат технических

диссертационного сове

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современный авиационный газотурбинный двигатель (ГТД) - изделие предельных параметров, высокой размерности, со многими степенями свободы разрабатывается в условиях разноплановых ограничений. Создание ГТД актуально с точки зрения обеспечения обороноспособности, решения проблем транспорта, электро- и газоперекачивающих станций и т.д.

Наиболее сложными при доводке ГГД являются работы по совершенствованию геометрии сложнопрофнльных элементов проточной части, Вследствие объективной сложности: физических процессов, приходится планировать затраты на опытные работы, не связанные непосредственно с конечным результатом.

Часто такой уникальный экспериментальный материал трудно сопоставим формально и не пригоден для применения традиционных статистических методов. Обычно при выборе ограничиваются лучшим из полученных результатов, а остальные варианты остаются не использованными для решения интерполяционных и зкстраполяционных задач из-за острой информационной недостаточности. Преодоление этого состояния возможно в процессе сжатия имеющейся информации о геометрии сложнопрофнльных элементов и их характеристиках.

Таким образом, задачу исследования можно сформулировать следующим образом: разработать общий: подход к газодинамическому совершенствованию сложнопрофнльных -элементов проточной части ГТД, основанный на современных методах статистического описания, оптимизации, распознавания, работоспособный при минимальном количестве законченных опытов (N=5).

Цель работы: Газодинамическое.;совершенствование профилей, решеток, переходных каналов, модельных и натурных ступеней, снижение трудоемкости и сокращение сроков их проектирования и доводки за счет создания структурных методов анализа и синтеза.

Научная новизна: Разработан комплексный подход к исследованию и совершенствованию сложных и ответственных элементов ГТД, основанный на объективных принципах и законах,¡современных моделях и методах, и новый способ построения структурного фактора и управления нелинейностью в регрессионном анализе.

Достоверность полученных результатов определяется корректным применением статистических методов .регрессионного анализа и подтверждается высокой точностью прогноза характеристик исследуемых объектов, контролируемой методом скользящего узнавания, средствами сжатия и визуализации информации об эмпирических данных.

Практическая значимость работы состоит в разработке:

- методики структурного анализаолементов изделий при их проектировании, доводке и производства; -

- руководящих технических ^материалов (РТМ), "Структурный анализ элементов конструкции в авиадвигагелестроении".

Реализация в промышленности. Результаты исследований отражены двух разделах отраслевого "Руководства по контролю запасов устойч вости серийных компрессоров" (ra.IV "Приложение") и использованы НПО "Завод нм.Климова" при структурном анализе геометрии лопат« изд.89., а также в лаборатории к о м пр е с сор о сгр ое н и я Саш Петербургского Государственного Технического Университета.

Рекомендуемые методы реализованы при:

- формировании геометрии профильной части пера лопаток и в; пуске чертежей лопаток турбин изд. 23,63,77,87,91 и др.;

- совершенствовании центробежной ступени в составе газогене^ тора изд.87;

- исследовании воспроизводимости характеристик компрессор оценке целесообразной точности изготовления лопаток различных издели Апробация работы. Материалы диссертации опубликованы в научных работах, докладывались на научно-технических семинар (четвергах) в ЦР1АМ (1970-1988), на Всесоюзной научно-техническ конференции по машинному проектированию (ЦИАМ, 1981г.), на IX и Международных научно-технических конференциях по компрессор строению (Казань, 1993,1995 гг.), Международной конференции " Газов турбины "(Рыбинск, 1994 г.), Международном симпозиуме по компрессор строению (С-Петербург, май 1996 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 статей, тезисов докладов, одно методическое пособие для курсового и дипломнс проектирования.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти га; списка использованной литературы. Полный объем диссертации составу ет 116 стр., которые содержат 108 стр. текста, 25 рисунков, фотографы 79 наименований литературы.

Автор защищает:

1. Новый комплексный подход к газодинамическому соверил ствовашпо сложнопрофильных элементов проточной части ГТД, oci ванный на совместном применении альтернативных .методов статиста ского описания, оптимизации и распознавания.

2. Методы построения и анализа области достижимых решен при газодинамическом совершенствовании решеток, переходных xai лов, модельных и натурных ступеней турбомашин.

3. Методы сжатия информации о геометрии и характеристиь сложнопрофильных элементов с целью принятия эффективных управл ческих решений.

4. Методы селекции структурных факторов, определяющих сов шенствования характеристик сложнопрофильных элементов.

5. Методы обеспечения воспроизводимости характеристик слож: профильных элементов в производстве.

Содержание работы Но введении обоснована актуальность проблемы и поставлена общая задача исследования.

Обзор литературы опирается на рекомендации наукометрического анализа публикаций по технической кибернетике и математической статистике, проводимом лабораторией статистических методов МГУ. Проведен анализ основных направлений при создании методов статистического описания, многопараметрической и многокритериальной оптимизации, распознаванию образов, разрабатываемых лидирующими школами ( Москва, Киев, Рига, Новосибирск и др.). Отмечена незавершенность работ по выбору структурного фактора и управлению нелинейностью в регрессионном анализе, отсутствие работ по преобразованию и сжатию информации о геометрии сложнопрофильных элементов турбо-машин.

В главе 1 обоснованы подходы и обсуждены вопросы практической реализации решения задач синтеза первичных признаков для описания сложнопрофильных элементов ГТД. Для эффективного применения хорошо известных методов сокращения входного описания (главные компоненты, центроидные компоненты и др.) предложен способ формирования структурных матриц для сжатия информации.

Схема селекции структурного фактора

Рис. 1

На рис.1 представлена схема селекции структурных моделей, использующая внутренние, скрытые закономерности, содержащиеся ( или не содержащиеся ) в матрице результатов испытаний, позволяющая получить опорную систему функций дня прогнозирования ситуации без существенного использования предположений о структуре управления связи. В схеме одновременно участвуют три селектора различных уровней (селектор I - первичных признаков, селектор II - ансамблей признаков, селектор 111 - альтернативных регрессионных гипотез). Рассматри-

ваются вычислительные схемы факторного анализа, многомерной эт трансляции, псевдообратной матрицы. Система ориентирована на раб ту в условиях информационной недостаточности при наименьшем кол честве наблюдений N = 5. Поиск эффективных ( по ряду критерие] первичных признаков в виде дробей 2 = 1 ■Х1,ХГХР-7Х.,'1 'Хг позволя]

в ряде случаев ограничится линейной регрессией у = Ьо+Ъг2 >что

обеспечивает визуальный контроль за выполнением предпосылок ] грессионного анализа и позволяет однозначно судить о возможное! экстраполяции за область имеющихся данных. Недостаточная эффекп ность однопараметрической модели может быть повышена на втором { ду селекции с помощью случайного поиска с адаптацией (СПА). Пре лагаемая схема позволяет косвенно оценивать наличие внутренних в; имосвязей объекта. При отсутствии таких взаимосвязей дробные в: имоденсгвия как правило оказываются неэффективными. Третий р селекции используется при получении интегральных обобщений данн! большого объема.

На этом этапе одновременное применение трех различных сх регрессионного анализа ( регрессия с целыми степенями ), дробны

степенями сл, ПРН Ъ (г^ )' пРопюз по ситуациям, ближайшим к не]

весгной, позволяет различить степень нелинейности восстанавливаем зависимости и степень неоднородности данных; здесь возможны три ] рианта:

1. Входные переменные сильно коррелированы. Используется ? тод главных компонент. Информация представляется двумя компот тами на плоскости. Таксонометрия состоит в изображении, визуальн анализе и отборе групп точек с координатами главных компонент номерами, соответствующими строкам матрицы данных .

2. Входные переменные слабо коррелируют между собой. Чш главных компонент примерно равно количеству этих переменных. С нако удается получить приемлемое по ряду критериев эффекпш уравнение регрессии с двумя комплексными переменными

У =Ьи+Ьгг +Ъг1г ,таксонометрия экспериментальных точек провод

ся на ПЛОСКОСТИ ■

3. Входные переменные не коррелируют ни между собой, ни целевой функцией. Комплексные переменные построить не удается. 'Г; сонометрию экспериментальных точек предлагается осуществлять в стеме координат " параметров плоскости, построенной на т]

мнохомерных опорных точках Ха'Хг.-Хл* параметры находятся

* . ,

условия минимума функционала ф = £(Хи" Хц-ЕЬДх,.,.,- Хк) )

1-1 ¡'1

Здесь ^ : - жпериментальная точка матрицы данных. Опорные

точки Хл'Ха'Х.!, выбираются исходя из максимального различия координат проекций на плоскость тестовых фигур (гиперкуб и др.).

Во второй главе рассматриваются методы структурного анализа и синтеза геометрии изолированных профилей лопаток, связано с некоторыми важными обстоятельствами.

1. При экспериментальной доводке профиля решетки турбины имеет место "недоход" до цели - приходиться из ограниченного набора вариантон профилей выбирать лучший. Желательно получение " области достижимых решений ", т.е. легко обозримой непрерывной области, в которой каждая точка соответствует конкретной геометрии профиля с конкретными характеристиками. Нанесение в ней граничных условий позволяет получить компромиссный вариант с максимально достижимыми свойствами.

2. При расчетных исследованиях попытки учесть влияние многих важных факторов ( закромочных следов, ударной волны, взаимодействия ее с потоком, колебаний лопаток и т.д.) резко усложняют мотель. и •эта пттпжнпсть " быстро съедает" возможности иычислительных средств. Расчеты такого рода становятся уникальными, а область выбора лучшего варианта - дискретной. Сжатие информации о результатах таких уникальных исследований позволяет построить непрерывную область достижимых решений.

3. При создании лопатки особое внимание уделяется ее опорным сечениям. Структурный анализ таблиц чертежа многих лопаток, изготовленных на различных предприятиях, показывает, что при восстановлении промежуточных сечений интерполяционными методами происходит объемное искажение лопатки по высоте, в точности воспроизводимое в производстве. Целесообразно такой дефект устранять методами интерполяции геометрии профилей в пространстве изображений.

На примере решения задачи синтеза геометрии профиля по результатам продувок четырех вариантов сопловой решетки предлагается следующая методика (рис. 2).

а) - Экспериментальные значения потерь плоских решеток сопловых аппаратов.

Рис. 2

Находятся главные компонентьг профилей ( "Ц,"^,^) и главные-компоненты зависимостей потерь £ от X ( У'У^У) > ^^ четырех

Экспресс-коррекция геометрии профиля лопатки турбины.

имеющихся и одного "желаемого" вариантов. Решая систему линейн уравнений, находятся главные компоненты

bo^b,^V*b2-\VtvV,t-lJ,L i J= 1,2,3.4; L= 1,2,3,4,5) а затем, с помощью преобразования X ~FT'U " координаты

профиля жел; мого варианта Приведен nj мер экспресс коррекции i ординат про<} ля по критер! качества об кания. Профи плавно вар! руется в райе горла решет на спинке. Ре: Рис.з цней системы

отклонения профиля в пределах 0.5 мм является изменение распреде; ния относительной скорости потока (рис.3). Для плавно изменявши; профилей находятся главные компоненты UrUz 11 Vi-Vi- В "I сгранстве Vi>V2 строится область достижимых решений.

Совершенство профильной части пера лопатки, достигнутое пут экспериментальной доводки и (или) расчетными методами, может бь нарушено при ее конструировании в процессе определения коордщ промежуточных и технологических сечений. Степень неплавности пе] хода одной формы сечения в другую контролируется

Структурный анализ геометрии пера охлаждаемой лопатки

20

ЛСШТКА 1

ЛОПАТКА 2

i №. 4

эвристическим критерием, предлагаемым в данной paooie. i рис. 4,5 приведены примеры изображений (главных компонент {Т,

охлаждаемых лопаток, с неплавной формой линии, соединяющей координаты Ui'Ui д"ля профилей наружного и внутреннего контура.

Видны группы сечений, образующих плавные переходы формы профилей. Лопатки состоят как бы из отдельных частей, не согласованных друг с другом. Критерий совершенства геометрии профильной части пера лопатки состоит в том. что для обеспечения плавного перехода формы профилей от сечения к сечению необходим плавный характер линии, соединяющий точки изображения сечений, построенных по данным таблицы чертежа. Пример изображения "хорошей " и " плохой" лопатки приведен на рис. 5.

Эта реальная лопатка с несогласованными профилями сечений I, II, 111 представлена на фотографии. Видны искажения геометрии профильной части. Предлагаемый критерий совершенства целесообразно использовать на ранних стадиях конструирования лопаток.

Структурный ¿напиз профилей турбинной лопат™

I" ______

jflh- • 1 1

/ ч, "Хорош«' /лопатка

IV \

"Плохая" у. лопатка ' \

/ н i к

/

I 0

г 1

Рис. 5

Важность проблемы обеспечения воспроизводимости свойств слож-нопрофильных элементов в производстве хорошо известна. Показано, что последствия искажения геометрии лопаток (углов, толщин и т. д.) можно оценить методами имитационного моделирования. Начальной информацией могут служить координатные измерения реальных лопаток. По этим данным строится пространство главных компонент, соответствующее многомерному корреляционному погао измерений, в котором легко имитировать случайные отклонения ортогональных координат ири? б" нарушения реального взаимодействия. Переход от варьируемых координат к углам, толщинам и т. д. позволяет оценить рассеяние расчетных характеристик компрессоров и турбин. Для преодоления значительной размерности варьируемых параметров предлагается многорядное структурное преобразование данных.

На рис. 6 приведена схема трехрядного преобразования параметров решетки (углов, толщин ) по высоте лопатки РК п НА в век-гор из шести параметров Х)>Х."—Хб • образом .проводится сжа-

тие информации со 192 до 6 переменных, управление которыми позволяет путем обратного перехода от матрицы О к С, В', А' рассчитывать целевые функции.

Реальные отклонения размеров, полученные в процессе контроля производства, несут важную информацию о временном дрейфе геомет-

рни, ( появлении коробления, нелинейных усадок) и служат данны.м для их элиминирования (коррекция размеров пресоформы и т.д.).

Сжатие информации о геометрии РК и НА компреи-ора £ Целеоы* функция!

А.',= [Тк1~] ;У [~НА1 I ^[*р;^~|А1=:РНА21 УГ РКЗ "} V и

ГК1 V НА1 АГ РК2 V ндг РЮ V нлз

Рис. 6

Сжатие информации одновременно о допусках, профилях, черте» и геометрии реальных лопаток позволяет осуществлять объемный ко троль всей лопатки в целом.

Временной дрейф геометрии лопаток иг

На рис. 7 показано, что с 1 чением времени (1988- 1990 гг.) пр исходит неслучайное утолщение г риферийных сечений лопаток, в] званное износом оснастки. В пр странстве главных компоне и,и, хорошо видно, что уроне случайного рассеяния геометр: профилей сохраняется, а неслучайн] отклонения от чертежа растут.

На рис.8 показана процеду автоматической коррекции геометр прессформы образцов по данным координатных измерений.

Здесь в пространстве главн! компонент и > 1_1г хорошо вид различие двух классов А и А', со< ветсгвующих различным керамическим материалам. Случайное рассеяь относительно цензов кластеров примерно одинаково. Систематичен смешение средних размеров А и А' относительно чертежа ( С) мож компенсировать, изготавливая образцы согласно размерам Е иЕ\

Рис. 7

' !А • 1 . А "

, •Л* • т

• О У

\ И

**

¡У \

У \

и Л

о »•

1—г-г^

1 2 3 4 ! (? 8 ИЛ И

1 1 1 4 5 ( 7 » > Я и И 13

Рис.8

Коррекция размеров образна

Для разных материалов потребуются различные

прес-сформы с размерами, компенсирующими коробление материала. На гистограммах рис. 8 показаны необходимые отклонения от исходного чертежа С, позволяющие обеспечить воспроизводимость размеров образца в производстве. Аналогичную процедуру коррекции размеров прессформы целесообразно применять и для турбинных лопаток из керамических материалов.

главе 3 предложен метод определения потерь в решетках турбин по экспериментальным данным. Обоснование метода содержит критику подходов к статистическому описанию потерь, использующих в качестве входных переменных только параметры решетки, без учета координат профилей. Построение интегрального описания для большого числа решеток (N=177) не оправдано из-за их неоднородности и невозможности выбрать эффективную структуру уравнения регрессии для всех данных. Предлагается:

1. Для выбора опорных решеток при прогнозировании построить область их геометрических характеристик в пространстве главных компонент. Различные точки изображений профилей (рис.9) соответствуют различным их координатам.

Выбор опорных профилт решеток: з пространстве главных компонент дпй прогнозирования потерь

. / /

/ \

.АЛЖ]

и' 1 ч .' *

2. Выбрать N=5- 10 решеток, ближайших (в пространстве изображений) к прогнозируемой.

3. Найти главные компоненты для выбранных профилей и-Ц? 11 главные компоненты для соответствующих потерь у у2...

4. Найти опорную систему функций для каждой из компонент потерь: у = Ь.1 Ьг г +Ъ2'22+-

и

В состав Ул'Ъ-» — в^одат главные компоненты профилен и на1 метры решетки ^ ,Р1к*32>У ■

5. Используя полученное описание, определить У,-Уг — с туации, соответствующей исследуемой решетке.

6. Перейти от главных компонент потерь к их натуральным зн чениям.

В качестве примера на рис. 10 приведены предсказанные и : данные значения потерь в решетке N 53 Атласа турбинных решеток.

Определение потерь а решетке N53 по опорнным решеткам

5,6,7,13,14,14,18,53,4(1,45--53

0.16

0.14

олг

о.ю

из 0.06

лниеримшг

Л * \ 1

( -прогяш V

/ /У 1-А

1

*

А,

Тад

0.7 0.8 ».9 1.0 1.1 1.2 1.3

Рис. 10

В главе 4 предложен метод структурного анализа и синтеза хар; теристик переходных каналов ГТД. В условиях информационной не; статочности, когда имеется всего Ы= 4 испытанных варианта межг бинного переходника со стоечным узлом, предлагается метод постр ния структурной модели главных компонент отдельно дня профш стоечного узла и для переходника. Полученная структурная матр! (табл.1) используется для построения системы опорных функций связывающих величину потерь в канале с геометрией меридиональнс сечения и геометрией профилей стоечного узла по высоте.

ст* =0.960730374 +0.0011383621 ^хгхАх,;

Таблица 1

N X, х3 Хз Хб У.

вар. и, и, V, V, V. V, с*

1 0.908 -4.919 -0.994 3.656 -3.991 0.925

II 3.051 1 3.418 -0.994 3.656 -1.925 -3.991 0.950

III -3.555 1.500 -2.791 4.651 -3.215 -3.360 0.962

IV -3.959 1.500 4894 2.385 4.030 -3.347 0.967

опт. -1.506 1.500 3.571 4.291 5.572 -4.981 0.988

Здесь \Ji-Uj" главные компоненты переходного канала;

УГУ2 - главные компоненты профилей периферийных сече! стоечного узла;

Vi'V< - главные компоненты профилей корневых сечений стоечного узла;

- коэффициент восстановления полного давления;

Вариация значениями главных компонент, входящих в найденный' комплекс, обеспечивает' решение поставленной задачи в области контролируемых ограничений.

В главе 5 рассмотрены методы построения области достижимых решений при выборе конъюнктурного варианта центробежных и осе-центробежных компрессоров. Задача сводится к определению комплексов параметров, ответственных за качество узла, оценке вероятных характеристик варианта, готовящегося к испытаниям, определению положения этого варианта среди имеющихся. В зависимости ог полноты располагаемой информации степень детализации прогнозируемых характеристик будет различна.

Таблица Z

N вар. I -1 11 III IV V Пюг-VI ?«. VI

У, -4.388 0.317 1.854 0.796 0.796 0.796 0.796

V, 0.71! -1.653 2.637 -0.565 -0.565 -0.565 -0.565

У, -0.093 8.475 2.919 -3.786 -3.786 -3.786 -3.786

±т_ Л 2.723 2.690 2.260 2.838 3.764 3.259 3.259

Ь F-. 1.058 1.091 1.265 1.070 1.061 1.072 1.072

F. F> 2.231 1.809 1.593 1.944 1.993 2.225 2.225

СЬ 9.10 8.90 9.20 9.80 10.60 9.10 9.10

b/t 2.426 2.388 1.969 2.034 2.094 2.426 11426

L им 15 15 28 28 28 28 28

bl км 6.2 6.2 6.2 6.8 6.8 6.8 6.8

Z 27 27 23 23 23 27 27

а% 18.3 20.3 17.7 17.7 14.7 16.8 16.8

еу 67.63 67.63 67.05 70.05 73.05 69.11 69.11

Ы мк 15.30 6.42 7.30 7.69 7.77 7.60 г7.60

МЦ 7.8 7.8 ~93 9.2 9.1 9.26 9.26

Гз км 1908 2283 2235 2279 1945 2125 2125

Gs *т'<- 1.085 1.145 1.225 1.230 1.110 1.210 1.190

п. 0.763 0.882 0.348 0.887 0.772 0.82S ■0.800

Кх 3.22 3.31 3.36 3.63 1 3.19 3.53 3.36

<Ук 0.846 0.848 0.864 0.853 0.892 0.860 0.850

В таблице 2 приведены параметры, по которым различались 5 вариантов сборок центробежной ступени и экстремальные характеристи-,

ки, полученные при испытаниях Лк'Ов-'Пк'^к: в гочке максимальною

Г| . Информация о геометрии профилей радиального лопаточного диффузора представлена в виде главных компонент V,. . Структурные факторы для описания целевых функций были сформированы как для отношений размеров элементов конструкции, так и непосредственно углов, чисел лопаток, площадей:

Ь 'ОО'Рг .

11к = аог + а12-К ;

I'г'Р.чх, •'Ь Д .

1г/'аг'а:з'Гг/В

РЖ '

Ов=Ъо1+Ь

Яозтйи"

СГ ВС-'

СТвс" Ьи + Ьм'

ОС?'Ьз

Значения коэффициентов множественной корреляции для всех уравнений 0.93 < К. 0.99. Таким образом, имеющийся объем данных ( N = 5 ) об испытаниях ступени является достаточным для прогнозирования характеристик при различной форме задания входных переменных. Полученные уравнения позволяют сформировать возможные шаги по совершенствованию конструкции. Наиболее полную информацию системы в целом дает область достижимых решении (рис. 11).

Области дости'+симых решений лрп. центробежных ггупеней

Римскими цифрами помечены номера рассматриваемых сборок компрессорных ступеней. Здесь же помечено градиентное направление увеличения .

Переход от сборки к сборке идет плавно без нарушения порядка. Продвижению в градиентном направлении мешает прецессия. Вариант VI является бесперспективным. Принято решение отказаться от применения однорядного диффузора и перейти к диффузору с двумя рядами лопаток.

11 п. 3 п г-1

(!

III /

-2 V 1 1 1 ¥1 2 3

IV ® 1 X

г о к % V

Рис. 1 1

Следующий пример иллюстрирует возможность плавного перехода от одной полной характеристики компрессора к другой при плавном смешивании" геометрии двух различных рабочих колес. Сложность геометрических характеристик рабочего колеса центробежного компрессора хорошо известна. Сжатие информации о пространственных коор-

диктатах двух и более рабочих колес позволяет получить линии на плоскости (рис. 12).

Сжатие мнформашш о геометрии лопаток рабочих колес центробежного компрессора

Использование преобразования: U=F*X позволяет получать главные компоненты, а, затем натуральные координаты с любыми коэффициентами смешивания

( Я, >•••)■

Плавный переход от одних характеристик (к- -1) к другим (Я=+1) (рис. 13) позволил выделить приемлемый коэффициент смешивания К = 0.5.

Выбор параметра "смешивания4 геометрии рабочих ¡солео по двум харакгтеристих-ам центробежной ступени (/I il)

Рис. ¡2

Ils

IT«

î.ï »t >3 î.l 0» 1»

Ib

ТБГ

f>} ù à о Э

. «*

0 1 Я »? SI c.»

Л =0

■ Qb

Рис. 13

рабо-

В этом отношении и были получены главные компоненты чего колеса: и, = II,,+ X '(И- Ш

В различных источниках по созданию и исследованию турбома-шин публикуются данные о форме хеометрии проточной части ( в меридиональном сечении) и результирующих характеристик конструкции. Данные о конкретных особенностях лопаточных аппаратов и др. отсутствуют. Нами рассмотрены два примера построения области достижимых решений при обобщении данных о центробежных и осецентро-бежных ступенях.

Сжатие информации о геометрии меридионального сечения компрессоров проводилось с помощью цифровой модели профиля пера лопатки, посредством перехода к главным компонентам "толщин" и средней линии каналов. На рис. 14 приведена область достижимых решений при сравнительном анализе характеристик ЦС - 87 и ступени IV из семи сравниваемых.

ч --os

Gs

о

0 1 о

I M ' о

Ы -0.9 1 — 0.Т7

С^рушурныЙ анагп-.! центробежных лупежй

1>г

0.65

Рис. 14

Координаты главных компонент и,,у,совмещены с точкой ц гра безлопаточного диффузора. Здесь же указано градиентное напр ление увеличения КПД. Из рис. 14 следует, что КПД ЦС - 87 мо? быть увеличен до 0.8 за счет перехода в градиентном направлении рез геометрию ступени IV. Детальный анализ такого перехода пока: ваег, что для этого требуется продольное удлинение проточной части.

Структурный анализ и л-штез геометрии осоцентробежных

ИД-нот [

РЦШ£=? О^}

твд.га р* Г

ДЗШШЬтя/ М1-1НИ-

. Тр-ЧО

апвип/ цтоз .2 г 33 о ш-ию Г-" ТГ"

ЕГШлт^ <™>-

1ГВД-20

|5'> зГ

Ри.г, 15

На рис. 15 приведена область достижимых решений, построек для восьми компрессоров с известной геометрией меридиональных чений и единственной характеристикой качества - величиной удель мощности компрессора. Изолинии удельной мощности, посгроенны пространстве главных компонент ТЛ меридиональных сечений п< зывают, что перспективным направлением совершенствования комп сора ТВД - 1500 является переход в точку А в направлении от Т1 20 к ТВД - 1500. При такой коррекции геометрии меридионального чения форма проточной части приближалась бы к компрессе Т - 700 и РГМ - 322, отличающихся высоким уровнем совершенства.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработан комплексный подход к совершенствованию слож-нопрофильных элементов ГТД (изолированные профили, решетки, переходные каналы, натурные и модельные ступени), опирающийся на современные вычислительные методы преобразования, сжатия и восстановления геометрической информации о входных и выходных переменных. Это позволяет приблизить границу приме нения-статистических методов к критическим значениям в N=4-5 опытов.

2. Установлено, что в процессе газодинамического совершенствования сложнопрофильных элементов при принятии управленческих решений, типичными являются состояния информационной недостаточности собственных однородных, но ограниченных опытов и информационной избыточности множества неоднородных результатов испытаний, накопленных в отрасли. Для эффективного использования этой информации разработаны специальные методы селекции структурных факторов, управления нелинейностью в регрессионном анализе, новые способы автоматической классификации (кластеризация данных). Это обеспечивает необходимую формализацию в решении задач описания, оптимизации и диагностики, в комплексе обеспечивающих снижение потерь в криволинейных каналах, согласование газодинамических элементов модельных и натурных ступеней.

3. Впервые с единых методологических позиций рассматривается комплексное решение частных задач по совершенствованию элементов системы профиль-решетка-лопаточный венец-ступень. Особую роль здесь играет анализ области достижимых решений, построенной на плоскости. В результате выполняются эргономические требования при принятии управленческих решений и достигается достаточно полный учет технических, экономических и др. 01раничений.

4. Предложены новые способы имитационного моделирования отклонений геометрии, объективного контроля ее временного дрейфа, элиминирования коробления и нелинейных усадок материала. Задачи газодинамического совершенствования геометрии чертежа сложнопрофильных элементов рассматриваются в непрерывной связи с проблемой обеспечения воспроизводимости этой геометрии в производстве.

5. Получены существенные результаты в реальном процессе проектирования и доводки изделий. С использованием предлагаемых методов определены потери и усовершенствованы геометрия лопаток РК и С А турбины, снижены потери в межгурбинном переходном канале, многократно спрогнозированы характеристики компрессорных ступеней до их испытаний, что позволило объективно оценивать эффективность мероприятий по доводке компрессора.

6. Разработан, отлажен и внедрен комплекс программ статистической оптимизации и имитационного моделирования, содержащий 17 самостоятельных подсистем общей стоимостью в 90000 долларов США.

Основное содержание диссертации опубликовано в следу щик печатных работах автора:

1. Новиков A.C., Пальцева A.B., Шишкин В.Н. "Оптимизация положе* регулируемых блоков нааправляющих аппаратов многоступенчатых к< прессоров.", "Авиационная промышленность" N 6, 1978 год.

2. Серков В.И., Жабрев Б.В., Шишкин В.Н. "О снижении вибрационн напряжений лопаток многоступенчатого компрессора.", "Авиацион] промышленность" N 4, 1979 год.

3.КазанчанП.П.,КараваевБ.В.,СерковВ.И.,ШишкинВ.Н. "Обобщение зультатов продувок плоских компрессорных решеток методом регресси ного анализа.". Труды ЦИАМК 679, 1975 год.

4. Новиков A.C., Пальцева A.B., Серков В.И., Шебакпольский ФЛ., Ш] кин В.Н. "Автоматизированное проектирование осевого многоступен того компрессора с дискриминацией математико-статистнческих моде его параметров.", II Всесоюзная конференция по машинному проектирс ною, март 1979 год. Тезисы доклада.

5. Шишкин В.Н.,Мешков С.А.,Пеганов А.Ю.,Измайлов I "Структурный анализ параметров центробежного компрессора в услов информационной недостаточности.", IX Международная науч техническая конференция, Казань, май 1993 год, тезисы доклада.

6. Шишкин В.Н. "Структурный анализ геометрии лопаточных аппара турбомашин.", IX Международная научно-техническая конференция, зань, май 1993 год, тезисы доклада.

7. Шишкин В.Н.,Мешков С.А.,Пеганов . А.Ю., Измайлов 3 "Структурный анализ параметров центробежного компрессора в услов информационной недостаточности.", "Компрессорная техника и пневм; ка", выпуск 3, С.-Петербург, 1994 год.

8. Шишкин В.Н. "Структурный анализ геометрии лопаточных аппарг турбомашин.", "Компрессорная техника и пневматика", выпуск 4-5, Петербург, 1994 год.

9. Шишкин В.Н., Мешков С.А.,Пеганов А.Ю., Измайлов "Структурный анализ геометрии центробежных ступеней.", X Межд? родная научно-техническая конференция, Казань, май 1993 год, тезизы клада.

10. Шишкин В.Н./'Структурный анализ в задачах оптимизации и диа: стики элементов конструкции ГТД.", X Международная нау техническая конференция, Казань, май 1993 год, тезисы доклада.

11. Шишкин В.Н.,Мешков С А.Деганов АЛО. "Структурный анализ и тез характеристик модельных центробежных ступеней при выборе кот турного варианта компрессора". Труды II международного симпози Потребители - производители компрессоров и компрессорного обор;