автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Обогащенные газодинамические модели и методы численной диагностики нестационарных процессов в газотурбинных и турбопоршневых двигателях

ХАРЬКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ им. Н.Е.ЖУКОВСКОГО -

РГ5 ОД

2 3 Щ?' ¡323

УДК 621.438.081.11532.54:518.5

На правах рукописи

Амброжевич Александр Владимирович

ОБОБЩЕННЫЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И МЕТОДЫ ЧИСЛЕННОЙ ДИАГНОСТИКИ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ПРОЦЕССОВ В ГАЗОТУРБИННЫХ И ТУРБОПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

Специальность 05.07.05 - тепловые двигат«ли летательных аппаратов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени' доктора технических наук

Харьков -1997

ХАРЬКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ им. Н.Е.ЖУКОВСКОГО

УДК 621.438.081.11:532.54:518.5

На правах рукописи

Амброжевич Александр Владимирович

ОБОБЩЕННЫЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И МЕТОДЫ ЧИСЛЕННОЙ ДИАГНОСТИКИ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ПРОЦЕССОВ В ГАЗОТУРБИННЫХ И ТУ РБОПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

Специальность 05.07.05 - тепловые двигатели летательных аппаратов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени '

доктора технических наук

Харьков -1997

Диссертация является рукописью.

Работа выполнена на кафедре "Теплофизические основы даигателестроения" Харьковского авиационного института им.Н.Е.Жуковского.

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Д.А.Мунштуков;

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор А.А.Палагин;

доктор технических наук, профессор И.М.Приходько;

доктор технических наук, старший научный сотрудник Л.Г.Бойко.

Ведущая организация: Запорожское машиностроительное

конструкторское бюро "ПРОГРЕСС.

Защита состоится 1998 г. ь/'т часов на заседании специализиро-

ванного совета Д 02.27.05 в Харьковском авиационном инстшуте по адресу: 310070, г.Харьков, ул.Чкалова 17.

Просим принять участие в обсуждении диссертации или прислать отзыв на автореферат, заверенный печатью.

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке Харьковского авиационного института.

Автореферат разослан УЛ 998г.

Ученый секретарь

специализированного совета Д 02.27.05, Г.Л .Корнилов

кадндат технических наук, профессор

з

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из ключевых направлений развития авиационной техники является совершенствование традиционных и создание перспективных типов газотурбинных и турбопоршневых двигателей (ГТД и ТПД) на базе прогрессивных технологий и методов научных исследований. В число наиболее перспективных путей преодоления наметившейся в данной отрасли тенденции к снижению темпов роста входит использование численной диагностики на стадии НИОКР, что обеспечивает достижение качественно нового уровня полноты представлений об исследуемом процессе и степени его оптимизации в широком спектре режимов работы, включая нестационарные, а также уменьшение доли дорогостоящего натурного эксперимента в общем объеме НИР. В практике двигателестроительных КБ часто встречается обширный класс задач, обычно связанный с необходимостью диагностики и последующей оптимизации параметров нестационарных газодинамических процессов в многорежимных ГТД,двигателях с циклическим рабочим процессом -ТПД или ГТД с периодическим горением.Удовлетворитель-ный практический результат при этом может быть достигнут только на основе комплексной (целостной) модели всего объекта исследований. Отсюда следует вывод об актуальности проблемы создания универсальных методов расчетно-теоретнческих исследований нестационарных течений во всей совокупности основных элементов газовоздушного тракта ГТД и ТПД с учетом взаимосвязи между ними.

Задачей исследований являлось создание семейства универсальных целостных малоресурсных моделей нестационарных пространственно неоднородных газодинамических процессов во всем тракте ГТД и ТПД или крупных его фрагментах, обеспечивающих возможность сквозной диагностики нестационарных течений, с целью снижения стоимости и сокращения сроков цикла НИОКР, а также повышения уровня оптимизации характеристик разрабатываемых объектов при условии частичной замены натурного эксперимента численными исследованиями.

Научная новизна днссериционной работы заключается в том, что в ней впервые предложено семейство обобщенных моделей и методов, обеспечивающих решение проблемы комплексной численной диагностики нестационарных пространственно неоднородных газодинамических процессов во всем газовоздушном тракте ГТД и ТПД или крупных его фрагментах на всех возможных режимах работы, включая "нерасчетные". Семейство газодинамических моделей построено на основе унифицированных принципов, позволяющих получить однородное ма1ема1Ическое описание комплекса газодинамических процессов в терминах метода особенностей и использозовать, вследствие по-го, для решения соответствующих систем уравнений е.шные малорссурсные численный метод и средства программной pca.ni ¡ашш. Для построения моделей 1еченин двух уровней: типовых ноузловьтДиодиоделеп камер иоринчя, миоихтупенчатих лопаточных машин, коллекторов и 1.д.) и Комплексных (целостных!, составленных из иолыолелей узлов, нснолыусчся набор универсальных базовых меюдо» следующею состава:

I) семейство методой имшащш пространственных течений в местах скачкообраз-

ного изменения геометрии проточной части (уступов трубопроводов, клапанных уст-" ройств и т.п.) в моделях с пониженным числом измерений, позволяющих исключить потребность в использования априорной информации типа коэффициентов расхода;

2) метод отображения кинетики горения отдельных порций топлива, впрыскиваемого в поток газовоздушной смеси в произвольные моменты времени;

3) семейство методов имитации взаимодействия профилей с потоком, учитывающих мгновенное состояние полей параметров течения, геометрические характеристики проточной части, профнльные потери,действие кориолисовых и центробежных сил, и предназначенных для использования в форме несущих дисков или дискретных образований, отображающих отдельные профили, для исследования течений в решетках ради-ально-осевых лопаточных машин компрессорного и турбинного типов, на любых физически реализуемых режимах течения при наличии сильных нелинейных возмущений, срывных явлений и экзотермических реакций;

4) метод синтеза комплексных моделей течений во всем газовоздушном тракте ГТД й ТПД различных типов с учетом симметрии и периодичности процесса.

Для определения границы газодинамической устойчивости (ГДУ) компрессоров на базе приближенной модели процесса,реализуемой на грубых сетках, не позволяющих •отобразить тонкие структуры течений, была разработана методика, использующая условие возрастания энтропии в направлении течения в квазиравновесных процессах.

Практическая ценность. Обобщенные модели и методы численной диагностики были реализованы в виде комплексов программ (КП) и применены для проведения комплексных исследований газодинамических процессов: в камере сгорания периодического действия (КП HIN); в лопаточных машинах - рабочем колесе импульсной турбины газогенератора ГТД с периодическим горением (КП VIS), центростремительной турбине и центробежном компрессоре агрегата наддува К-36 (КП IMPACT, RYU), многоступенчатом осецентробежном компрессоре ГТД (КП RYU); в двухкаскадном авиационном ГТД со свободной турбиной при попадании в спутную струю (КП TATSU); в газогенераторе опытного ГТД ПГ, состоящего из центробежного компрессора, ресивера, блока 2-х клапанных камер сгорания и парциальной импульсной турбины (КП MACH); В 4-х тактном ТПД MTU 8V396TC4 производства ЧДЗ (КП MANJI).

Результаты исследований использовались при решении задач НИОКР, связанных с поузловой увязкой и оптимизацией параметров рабочего процесса в ТПД и многорежимном ГТД, получением характеристик двигателей как объектов регулирования, разработке ГТД с Периодическим рабочим процессом.

Основные результаты. Разработанные КП и результаты уисленных исследований внедрены в практику НИОКР Запорожского машиностроительного конструкторского бюро(ЗМКБ)"Прогресс", Харьковского конструкторского бюро по двигателям (ХКБД), СКВ Чебоксарского дизельного завода, а также в учебном процессе кафедры 205 ХАИ в рамках курса "Численное моделирование течений в тепловых двигателях и энергоустановках". Вследствие частичной замены натурного эксперимента численным снижена

стоимость и сокращены сроки выполнения программы НИОКР, проведенной в ХКБД.

Диссертационная работа подготовлена на кафедре'Теплофизичёские основы дви-гателестроения" Харьковского авиационного института им.Н.Е.Жуковского при выполнении НИР по госбюджетной тематике, хозяйственных договоров с ЗМКБ "Прогресс", ХКБД и СКВ ЧДЗ.

Достоверность и обоснованность основных положений и результатов диссертации обеспечены использованием для построения содержащихся в ней моделей и методов классических форм фундаментальных физических законов и подтверждены удовлетворительной, с точки зрения практики, согласуемостью результатов серии вычислительных экспериментов - с одной стороны, а с другой - натурных исследований и расчетов, выполненных по стандартным методикам, а также проведенными методическими исследованиями алгоритмов и комплексов программ.

Апробация. Результаты работ по теме диссертации докладывались на Всесоюзных межвузовских конференциях "Газотурбинные и комбинированные установки"(Мос-ква,МВТУ-МГТУ, 1983,1987,1991г.г.),ХВсероссийской межвузовской конференции'Тазо-турбинные и комбинированные установки и двигатели"(Москва,МГТУ, 1996г.), республиканском семинареТидроаэромеханнка двигателей и машин"(Харьков,ХАИ, 1985г.),на секции "Инженерные проблемы теиломассопереноса при фазовых превращениях в теп-лообменной аппаратуре" Научного совета ГКНТ по проблеме "Массо- и теплоперенос в технологических процессах (Харьков-Рыбачье,ХАИ, 1985г.), 111 Всесоюзной научно-технической конференции (Москва,МАИ,1986 г.), на семинаре отдела №704 Центрального института авиационного метростроения (Москва, 1987г.), на семинаре кафедры "Тур-бостроение"Казанског о авиационного ннеппута (Казань, 1988г.),республиканской научно-технической конференции "Маюмашческое моделирование процессов и конструкций знергешческнх и транспортных ус1ановок в системах их автоматизированного проектировании"! Харьков-Го 1»альд,1 И Шаш АН УССР, 1988г.), на Всесоюзной конференции по гидромеханике (Рыбачье, НИИ Механики МГ'У-ХАП,1989г.), ХИВсесоюзнон научно-технической конференции ио ajpoynpyrocni турбомашин (Рига-Юрмала, ЦИАМ, 1989г.), 11 Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы газовой динамики двигателей и силовых установок" (Москва, ЦИАМ, 1990г.), на республиканской научно-технической конференции "Математическое моделирование и вычислительный зкепери-мент для совершенствования знергетческих и транспоршых турбоустановок в процессе исследования, проектирования, диашоешки и беюпасного функционирования" (Харьков.ИПМаш АН УССР, 1991г.),на Международной научночехннческой конферен-ЦШ1 "Совершенствование шсрюшчсскнх и ipaiiuiopmLix турбоустановок меюдами математическою моделирования, вычис.мпедыюю и фншчсскою женернмешов" (Харьков.ИПМаш HAH Украины, 1994г.),11 кош россе двшше.кхтрошелей Украины с иностранным учасшем "llpoipccc-Teuwiioi ии-Качсчио" (Рыоачье, ХАИ,1997|.). Содержание диссертации было апробировано на семинарах и расширенном luce.iai'.iiii кафедры "Teil-лофизичсские основы двш а ic.ieci роения" Харькове», л о аниащшннш о института.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 статей, из них 3 - ба соавторов, тексты 4 докладов на международной научно-технической конференции и курс лекций - без соавторов.В них лично автором предложены постановка задачи иссле-дований,модели и методы расчета нестационарных газодинамических процессов в решетках профилей, методики учета профильных потерь, метод отображения кинетики горения топлива в потоке газовоздушной смеси, обобщенная модель процесса в камере сгорания, универсальный метод построения семейства комплексных моделей нестационарных течений во всем газовоздушном тракте ГТД и ТПД с учетом свойств периодичности и симметрии рабочих процессов, варианты методов учета пространственного характера течений в моделях с пониженным числом измерений, семейство методов численной реализации моделей всех уровней, методика определения газодинамической устойчивости компрессора с использованием условия возрастания энтропии по потоку на устойчивых режимах, представлены результаты численной диагностики процессов в камере сгорания периодического действия, лопаточных машинах, ГТД и ТПД в целом.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка использованных источников. Работа содержит 295 страниц, 66 иллюстраций и 18 таблиц. Список литературы включает 156 названий.

ваний и сформулирована их цель, представлена общая характеристика работы.

В первом разделе рассмотрены публикации, относящиеся к тематике предлагаемой диссертации. Отмечен положительный опыт создания комплексных моделей ГТД, содержащийся в работах А.Н.Крайко, В.Т.Гриш, Л.Г.Миллера, М.Я.Иванова, использующих метод особенностей и различные модификации метода С.К.Годунова. На основе представленного анализа сделано следующее заключение.выбранное направление исследований включает в себя комплекс задач, которые не имеют прямых аналогов как в своей постановке, так и в методах решения; наиболее целесообразной принципиальной основой для решения задач данного направления является метод особенностей, как располагающий универсальными средствами отображения течений с экзотермическими реакциями, обеспечивающий достаточные зкономичность и содержательность модели течения в лопаточной машине в форме несущего диска или локализаций в соответствии с геометрией решетки профилей, а также возможность единообразного описания процессов, протекающих в основных элементах ГТД и ТПД; оптимальные методы численного решения систем уравнений моделей данного класса основываются на конечно-разностной схеме С.К.Годунова, как наиболее универсальной, устойчивой и консервативной.

Во втором разделе изложены основные принципы построения моделей и реализующих численных методов, обеспечивающих решение проблемы комплексной численной диагностики течений в газовоздушном тракте ГТД и ТПД.Необходимая экономичность всех уровней технологии численной диагностики: математическая Модель -» численный метод -> программа заложена в единой принципиальной основе моделей, представлен-

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

выбранного направления исследо-

ной в подр. 2.1. Факторы, обусловливающие нарушение изолированности течения (см. табл.1), отображаются источниками-стоками (ИС) массы всей среды в целом .отдельных ее компонентов и функций субстанциональных свойств, импульса и энергии.

ИС, образующие модель течения в двигателе _Таблица 1

т Физический смысл ИС

1 Подвод теплоты и изменение концентраций компонентов среды при сгорании топлива

2 Теплообмен между газовоздушной смесью и элементами тракта

3 Действие центробежных и кориолнеовых сил

4 Реакция решетки профилей на поток среды

5 Диссипативные явления

6 Торцевые перетекания, подвод охлаждающего воздуха к турбине и отвод воздуха из компрессора

7 Энергообмен в рабочих решетках, вызванный совместным действием центробежных, кориолисовых и поверхностных сил

8.9 Пространственные явления

Единобразная форма систем уравнений моделей позволяет применить универсальные -численный метод и программное обеспечение. Из соображений экономичности применяются 0-2й модели процессов.!} наиболее общем (20) случае (рис.1) состояния течений определяются набором параметров: Н(х,, х2,1) =

= {р,Т,Ж,С}(Х,,Х],0> где I-время, х, -окружная (угловая) координата,х,- меридиональная (линейная),р-Давление,Т-температура, иг = >у2} - ско-

рость.С = {ш.со,,^}- набор функций субстанциональных свойств,», шг- массовые концентрации

продуктов сгорания и горючего, 1 - индивидуальное время химически реагирующей частицы,Б - эн-тропия.Для описания моделируемых процессов используются уравнения законов сохранения массы, импульса и энергии, переноса функций субстанциональных свойств в дивергешнои векторном виде:

с) К

(1)

Рис.1. Двумерная геометрическая пиОиилисть решения, обрсиившшая

среОнемериоиинальным с ечением !>1 ее ютет/шчшш прчшччшш чмти, с орпюгшшышй сеткой

1 ' д '

— --(Ф(«к) К1 ') + Л,.)] - функции шмснчиаосш течения за счет виут-

где ч>(.,

ренннх фактров (при ш = 0) и.т действия гриш ИС (т=1,-..,М): М чаксииа.1ьнос чне-

ло взаимно накладывающихся групп ИС;К = 1-для 20 модели,- К = 2- для Ю;к- индекс направления в пространстве; К=К(хг) - радиус среднемеридиональной поверхности

(рис.1); Р = рА|1,С,р - плотность; А - толщина слоя среды над 2И областью течения или площадь проходного сечения канала в Ю модслях;е° - внутренняя энергия по полным параметрам; ф<„.ю = (Р«'к +рА{0,0,6,кй„,0,5ал5„,,})(т); 5......-символ Кронекера; Д<„> = До = {0,ДС, Д„ А^.Д, },„, - объемные

интенсивности "свободных" ИСд.е. обусловленных изменениями концентраций компонентов, энергии и импульса, не связанных с переносом массы всей среды.

Система (1) замыкается термическим и калорическим уравнениями состояния: Р = РЙТ, (2)

е = Е(со,Юг,т), (3)

соотношенем Майера: ср = с, + Я, предположением о массовой аддитивности свойств смеси: 1см = [1,(1 - ш - ш,)+ !„£>]/ (1 - сог), где I = {с,,с„ 11,6,1}, 1 - энтальпия, "см" -смесь, "в" - воздух, "пс" - продукты сгорания; зависимостями: с, = с,(со,<вг,О, соотношениями, определяющих интенсивностн ИС, краевыми условиями.

В подр. 2.2 представлены универсальные численные методы реализации моделей течений в ГТД и ТПД. В соответствии с принципом расщепления, лежащим в их основе, на протяжении одного временного шага отдельные физические процессы или их группы могут считаться независимыми. Тогда при использовании двухточечной апнроксима-

V

[щи 8 ¥/ й любой шаг разностной схемы может быть представлен в виде:

р1„|, = К|,л, + тф,.),,,,., (4)

где v- номер текущего шага расщепления,v = 1,..., м + 1;ф(и)1 | - явный сеточный ана-—» -»

лог <р(01);*ш- номер шага расщепления, задающею исходное состояние.П для определе-

-,0)0.) -,<») -.1 -,<М»1) _, 1(1

нияф(п)| ^1, причем,п = ii ,11 =11 ,1 - индекс временного слоя. Таким образом,

каждый шаг (4) соответствует единственному процессу: "свободной" перестройке течения, изолированного от всех ИС, и действию каждой из взаимно накладывающихся групп ИС. Результирующая локальная изменчивость течения при этом определяется суперпозицией (4), откуда следует выражение для разностного аналога (1): -,■♦» м -,(')<'»>

(5)

Структурные варианты разностных схем вида (4), (5) порождают семейство разностных

схем, реализующих модели течений в двигателях различных типов. Шаг схемы (4) при

т = 0 представляет собой модифицированную схему С.К.Годунова: _<"<'.> ■ 2 2 / Ц«1 ,

- г-ИЧ^"?' -Р^А^ОЛОДВ^]. (6)

"ш 1-К ..I П1

где Ь, = Щхг)Лх,,!12 = Дх2 - линейные шаги в окружном и меридиональном направлениях; Ь-„ = 0,5(Ь," 1 + Ь,' 2), ¡¿,к = I,, + 0,5(-1)'5рк. На меридиональных границах

расчетной области действуют условия периодичности. Компоненты вектора определяются на основании точных либо приближенных решений известных автомодельных задач. Основой для построения (6) является аналитическое решение задачи о распаде разрыва, полученное в изоэнтропическом приближении с использованием допущений о пренебрежимо малом различии свойств контактирующих газов и сохранении сплошности течения. Для реализации условий непроницаемости применяется решение задачи о взаимодействии 1Э однородного потока газа с плоской преградой, где в случае торможения тоже применяется приближение простой вблны. Кроме того, данное приближение используется для расчета истечения в "неограниченное" пространство.

Для имитации ЗЭ явлений на участках скачкообразного изменения сечений тракта: входных устройств, клапанов, сопряжений с ресиверами и т.д. в 0-20 моделях разработано семейство методов на основе схемы течения в зоне диафрагмы с отверстием, расположенной на уступе (рис.2а). Поток перед диафрагмой поглощается стоком (поз.1, рис.2б) и затем возвращается в канал через систему источников (поз.2). 30 свойства сформировавшейся волны разрежения (ВР), удовлетворительно отображаются шттегра-лом Эйлера, откуда находится скорость истечения через отверстие:

* = V»- +2срТЛ1-<Р/Р.)" 1)/7 1, (7)

где индексом обозначены параметры вверх по по- ^ току, р-давление в сечении А„ = А„(0.Степень проявления Ю свойств п любой момент времени определяется соотношением пути, пройденного ВР с начала

I

открытия отверстия: 1 = ус(1-х„,1)](11, ъу

А+

х'

1 'Щ г

' -'

где а- локальная скорость звука, н характерного размера в А, (1,(0) с учетом геометрии канала:

{X _ I / I I < I Рис.2. Течени? е канале с диафраг-

^ _ | | > | * (8) мой и его одномерная модель:

' а - структура течения;

Имитатор пространственной ВР(ИПВР) реализован се- схема Ю модеш'

мейством конечно-разностных методов,отличия между ,

г i - локальный сток;

которыми заключаются в способах применения (7), (8) и 2 ^^.„„^ источиики определения р, что отражается на точности воспроизведения расходных характерноик, ресурсоемкое™ и устойчивости вычислительного процесса. Узел, расположенный вверх но потоку имеет индекс "1", вниз - "1+Г, диафрагма находится в узле "I + | ". Для получения "чисто 1Г>" решения используется задача о

распаде разрыва. Первая форма (ИНВР-1/1а, табл.2) имеет в своей основе "подпитку*

о

"Ю" стока, дополнительным стоком, учитывающим актуальную стадию развития 30

ВР согласно (7)-(8).

Численная реализация ИПВР-1,1а на основе(4)-(5) при М=2

Таблица 2

V D1 Физический смысл шага и структура алгоритмов ИПВР-1 ИПВР-1а

1 0 0 Учет изменения основного течения под действием внутренних факторов: (6) - -

2 8 0 Расчет интенсивности" 10" стока _

3 9 2 Расчет интенсивности "ЗО" стока: 8 = р,0' / р(|) , -» "(»»Л [р <р\р,,) , =р"> ,,(7)->««» ,] а,- | (9)1*-- 1 1 {1, С, _,<2) (2) с ЗО коррекцией решения:ф„)|Д = Фти! / Ь (1 .-IR х = 1

Форма ИПВР-М/11а/Нб (табл.3) отображает 30 свойства течения действием стока, ин-

I

теНсивность которого определяется путем приведения г1 ■ согласно (7), (8) к состоянию:

П,»,. = П.

■Pili/

р\р"7р'<р'

Lp0'/ß%P°'/Р'гр" отвечающему уровню давлений:

vi

(9)

p,= p!ti-Kt,)]+pi(t,),{p = p';)u, vP = P;tl

l ""'i

(Ю)

Численная реализация ИПВР-11/11а/11б на основе(4)-(5) при М=1

Таблица 3

V m Физический смысл шага и структура алгоритмов ИПВР-11 ИПВР-1 la ИГ1ВР-И6

1 0 0 Учет изменения течения под действием внутренних факторов: (6) - . - -

2 8 0 Расчет интенсивности стока: (9). (10) _<!> - (!) с ЗО коррекцией: <р(,и.< = Фти' / Ь р = рш . r («)i»j at р = р<" , r («>i»j р = plI x = I

Упрошенные варианты методов (ИПВР-1а,На/116) применяются при условии преобладания квазистанионарных свойств течения. При этом в (8) учитываются только геометрические характеристики канала, что соответствуй сформировавшейся 30 ВР. Вниз по потоку от диафрагмы раишчие параметров течений (основного и источникового, поз.2,

и

рис.2б) обусловливает диссипацию, имитирующую потери при отрывном истечении.

С целью обеспечения соответствия между физической и аппроксимационной вяз-костями разработана специальная методика.Система (I) содержит "избыточное" уравнение:-^(рАБ) + -¿-{рА^БИ'"1) = 0, из разностного аналога которого при допущении о постоянстве термодинамических свойств определяется значение энтропии (Б*10) в изоэнтропическом процессе. В то же время, решение (4) для любого шага (у) дает уровень энтропии, отражающий схемную диссипацию: 8(у) = ср1п|т',) /То(ро /р(>'),'1)/т|,

где Т„, р„ - параметры некоторого начального состояния. Отсюда получается прирост энтропии, обусловленный аппроксимационной вязкостью: ДБ = Б'*' - Б'"1. Для компенсации Ав следует отвести теплоту ДО = Т'^ЛБ .сбалансировав ее эквивалентной работой

объемной силы, действующей в направлении вектора скорости №. Интенсивность регулирующего аппроксимационную вязкость ИС импульса определяется соотношением: 1

Д1( =(рАТД8/уу ){" —г,, где г, - поле коэффициентов релаксации, задаваемое, исходя

из сложившихся представлений о диссипативных свойствах класса исследуемых процессов (при г, £ {0,11 вязкость уменьшается, при г, < 0 - увеличивается).

Для установившихся режимов работы ГТД цикла \г=соп5( и ТПД характерны свойства симметрии и периодичности газодинамического процесса в однотипных элементах проточной части. В таких случаях нецелесообразно задавать глобальную модель процесса на всей области течения. Достаточно ограничиться расчетом течения в подобласти максимальных размеров, в которой указанные свойства не проявляются, но одновременно задай вьпекающие п> этих свойств граничные условия. В основе метода синтеза целостных моделей для такого рода задач лежит использование итерационных . имитаторов течений в однотипных элементах проточной части. Решение задачи об установлении периодическою течения в одном из таких элементов находится в результате вычислительного процесса, итерационный цикл которого является аналогом периода физического оригинала. Таким образом, в результате завершения вычислений для очередного периода будет найдено сеточное приближение его фазовой диаграммы: Й».(хм '")> х1* е Т„и - 1, Л, где] - номер итерации(периода), х,' -совокупность

геометрических координат приграничного узла, - внутренняя ближняя окрестность границы подобласти течения,Тц-пернод пикла, что позволит задать граничные условия

для следующего периода в виде итерационного имитатора смежною элемента:

п^(х;,1,) = хН'к,(х;,11) + (1-х)нихгЛ1-'). <Н)

где х," го; - координаты приграничных узлов подобласти течения; {Р, I1'1} е10,Т.|, X = (Т - Р)/11 ;т1 = Р*1 - Р > т ; I = I1 - ¿'Т, + 0 -фазовое время периодическою процесса (? е(0,Т„ 1,! е[Т*,Тх '1);номер предыдущего периода;0- фаювын сдвиг.

В третьем ра1деле представлен базовый набор подмоделей (ИМ) течений в основных ТИПОВЫХ элементах ПД и ТПД:1-2и - в камерах сгорания, 213 - в радиалыю-

и

осевых JIM, 2D - в улитках JIM, OD - в цилиндрах, построенных на основе универсальных принципов, изложенных в первом разделе, и предназначенных для синтеза целостных моделей нестационарных газодинамических процессов в проточных частях двигателей.

В подр. 3.1 рассмотрена универсальная 1-2D ПМ камеры сгорания (КС) (рис.3), обеспечивающая возможность расчета процессов с изобарическим и изохорическим горением. Для имитации впрыска и сгорания топлива служат источники массовой концентрации горючего, субстанциональных свойств (поз.1) и источники энергии, стоки концентрации воздуха и источники концентрации продуктов сгорания (поз.2). 3D явления при втекании во впускной канал и клапанные устройства (впускное и выпускное) имитируются действием локальных стоков(поз.3,5,7) и сбалансированных с ними источников массы, концентрации воздуха, импульса и энергии (поз.4,6,8).Диссипативные процессы, протекающие при смешении разнородных потоков за клапанными устройствами, воспроизводятся распределенными источниками массы (концентрации), импульса скорости и энергии (поз.5,7). Гидравлическое сопротивление отображается стоками импульса, действующими по длине всего тракта. В терминах (1) ПМ КС описывается с использованием ИС видов До.) и Ф<ш>, М = б. Интенсивности ИС (поз.1 - 8) переменны во времени. Область влияния ИС (поз.2) имеет подвижные границы. Примерная циклограмма действия ИС (поз.1-8) также представлена на рис.3 (Ь - зона начального смесеобразования).

tau tss*

*выпР

лк

»впр

tH

Рис.3. С.\ема расположения ИС. имитирующих процесс в камере сгорания: I - источник массы и субстанциональных свойств горючего; 2 - источники тергии и концентрации продуктов сгорания; 3, 5, 7 - стоки. 4,6,8- источники массы, субстанциональных свойств, импульса и энергии; 9.9'- геометрия при закрытых клапанах; 'мй!*' - моменты начала (конца) впрыска, открытия ( закрытия) выпускного (впускного) клапанов соответственно: Т„ - продолжительность цикла; хи(1ип) - координаты впускного (выпускного) клапана

Процесс горения определяется состоянием П(х, I) и интенсивностью источников массы, концентрации и субстанциональных свойств горючего (поз. 1):

= ^-{1>СаьЕ°0)ДО}, (12)

где С<1> = {0,1,0,8(|))}. Источник, имитирующий работу форсунки, распределен в полосе

шириной Ь. Процесс горения топлива непосредственно зависит от концентраций продуктов сгорания -ш(х,0 и горючего -<ог(х,0, а также индивидуального времени каждой частицы горючего, отсчитываемого с момента впрыска -Т(х, 0. Кинетика горения отображается известной зависимостью вида Хг = Хт(1), где X, б [0,1] - массовая доля топлива, сгоревшего к моменту I. Интенсивности источников энергии и концентрации • продуктов сгорания определяются соотношениями вида:

ДЕ = !^НиА р,, Л. = Ь„ р,, (13)

где р = — (рсогХт), £ - коэффициент полноты сгорания; Ни- низшая теплотворная спо-щ

собность топлива; Ь„- стехиометрический коэффициент.Функция Хт определяется формулой Внбе: Хт = 1 -ехр[1п(1-Х1(1г))(1/ 41>ш*1], где!, - время полного сгорания, т-

константа, или известной зависимостью ЦНИДИ: Хт = 1 - (1 - т) ехрх , где 1 = \/ Д1е, Д1С - временной интервал от начала реакции до момента достижения максимального значения скорости выгорания. В случае процесса с периодическим сгоранием применяется упрошенная модель, использующая вместо полей Т(х, I) единое время, отсчитываемое с момент впрыска, при условии, что в процессе сгорания участвует только фиксированный топливо-воздушный заряд, заключенный в зоне начального смесеобразования. Численный метод, реализующий ПМ КС, складывается из методов расчета со- ' ставдоющих 1ечений - основного (ш = 0,(6),табл.1) и вызванных действием ИС (т = 1), на базе семейства (4),(5). Интенсивности источников массы топлива, его концентрации и субстанциональных свойств (поз.1, рнс.З) определяются разностными аналогами (12) при Ш = 1 (V, = 0), условии Ь = Ь2 и заданном вДО. Интенсивности источников энергии н концентрации продуктов сгорания (поз.2) определяются согласно (13) при т = 2, уг = 0. Расчет стоков (поз.З, 5,7) выполняется по методам семейства ИПВР. Сопряженный источник (поз.4) локализован в единственном узле, что соответствует режиму безотрывного течения.

В подр.3.2 представлена ГШ нестационарного пространственно неоднородного газодинамического процесса в решетке профилей (РП) радиально-осевого типа, заданная в 20 геометрической подобласти решений (рис.4). В модели в форме ИС импульса и энергии в отображен комплекс основных внешних воздействий 1-7 (табл.1).В основу ПМ течения в РП заложены следующие принципы. Многосвязная область течения в РН с криволинейными внутренними границами заменяскя односвязной. Вместо сложных Подструктур течения, как прилежащих к профилям, так и удаленных, рассматривается

единая осредненная упрощенная структура. Вместо условий непроницаемости поверхностей лопаток в зоне влияния РП, (рис.4) вводится непрерывно распределенное по объему силовое поле, эквивалентное исходному в каждый момент времени. Учитывается влияние полей центробежных и кориолисовых сил, т.к. движение в общем случае имеет ненулевые радиальные составляющие. Совокупности перечисленных объемных силовых полей образуют имитаторы решеток (ИР),представляющие собой распределенные в О, и П„ ИС импульса и, только в Пр ,ИС энергии. Для имитации профильных потерь используются стоки импульса. Вдув охлаждающего воздуха и торцевые перетекания имитируются действием ИС массы, с которыми связаны ИС импульса скорости, энергии и концентрации воздуха. Догорание топлива в потоке в общем случае отображается источниками энергии и ИС функций субстанциональных свойств (вида С). Осредненное по поверхности П (рис.4) течение происходит вдоль линий тока, вообще говоря, несовпадающих с контурами лопаток, под действием ИР: ( - Г.+ Гк+ Гс+ Г„,гдеГ._ = Г_(х„ х„ I); Г.-имитатор поверхностных сил, отображающий реакцию контуров лопаток на поток среды (Г■ * 0 в Пр11); Г х, Г с, Г„ - поля кориолисовых, центробежных и диссипативных сил. Поле ИР выражается в терминах (1): А<») = {0,0, Лкть Л|,<„), Д1;(ш>,0}. Разработаны и практически используются следующие виды ИР, в дальнейшем обозначаемые 1,1а,II,11а,116 в порядке убывания присущих им диссипативных свойств, различающиеся двумя вариантами формы определения энергообмена в рабочей РП и типами имитаторов поверхностных сил. В первом варианте расчета энергообмена (Э1) ИС энергии и импульса (ш=3,4,5), порождаемые одноименными физическими факторами, связываются явными функциональными зависимостями и представляются в виде единого вектора правых частей:

Гк+Гс: Л(з> = {0,0,ХЛ1,о)№""Л",<»'А'.и>'0} (14)

к-1

Ь: Д(4) = {0,0,Л11(4)и,Л1|(4),ЛМ)),0} (15)

Л(.<, ={0,0,0,Лм,),А,1(5),0} (16)

Второй вариант (Э2), отличающийся значительно более низким уровнем диссипативных свойств вычислительного характера, использует уравнение Эйлера для турбомашин в малом объеме РП и принцип растепления но динамическим и энергетическим процессам единого физического происхождения с учетом динамики ротора и искажения картины обмена энергией и импульсом, полученной при условии безотрывного обтекания:

Г к + (г: Л(3) = рА*, Ыпр(0,0,0,1»„-*,,0}. (17)

Рис. 4. Геометрическая подобласть решения: -

имитаторы направляющей и рабочей РП

Г,:

Д(4) ={0,0,0, дм<),дм4),0},

Д(5) =

0,0,

(1-?)

» иН*!'*?} бП|

0,{х,,х,} 6 П.

„-<?¥„ о, о

Г.+ Гк+ Г с: Д(?) = 11и

(18)

(19)

(20)

где р-угол между осью РП и касательной к меридиану Г); с; = ?((№- и)п)- коэффициент

скорости, а -окружная скорость; п -вектор единичной нормали к контуру профиля. Путевые потери на трение имитируются управлением аппроксимационной вязкостью. Разработаны два типа имитаторов реакции РП на поток: диссипативный (ИД), и изоэнтропи-ческнй (ИИ).Возможные варианты ИР представлены в табл.4. В результате дискретиза-

Обозначение вида ИР

I

1а

П

ции геометрической подобласти решения реальная РП отображается в систему полигональных линий, прямолинейные отрезки которых располагаются в расчетных ячейках сетки. На протяжении временного интервала й на массу среды,протекающей через ячейку, воздействуют только там же расположенные профили (рис.5). Отсюда следует, что в интервале й1 реакцию РП на поток допустимо проимитировать совокупностью независимых воздействии элементов профилей на соответствующие массы среды, заключенные в ячейках. В процессе обтекания движущегося со скоростью и прямолинейного профиля тонкой пластинки, мгновенно по» » ■ * ' • '-*

гружаемой в поток, при (»., 1Ь ) * 0, где №. = и- и,

Виды имитаторов реакции решетки профилей

_Таблица 4

Па

Мб

Форма описания энергообмена

Э1

Э1

Э2

Э2

Э2

Тип имитатора реакции решетки

ЛД_

ИИ

суперпозиция ИИ и ИД

ИИ

л./

л♦

Э|

Рис.5. Модель силового вшимодейспшия контура с потоком сжимаемой среОы

на контуре I, возникает газодинамическая нагрузка: «В = р, - р , где р4 = р + п,), п,) (Ц(0) = 0,

Щет.П,) €[-р,р° - р]) - зависимость изменения давления на конгуре от параметров невозмущенною течения и взаимной ориентации потока и пластинки, откуда 81) » = 0(*,п,)- Отсюда реакция профиля на поток: Г>-к = 5В1,А(п-,Эк), к=1,2,

где Эк - орт координатной оси Хк, причем, условие ? .Цп, реализует ИД. Значен»!* р,

оЬрсделяются решением автомодельной задачи о взаимодействии однородною Юно-

* HJU V 1IJJW pcuAUU. I ipuWMtnn ) ^ЙВПСПЛЛ ДОПАСППН

r(pAw,)= -(AR'-'^- + AIiÍ4)]l,k = 1,2, (21)

тока газа с преградой. Проекции уравнения движения приобретают вид: £

dt

1 . df,,k 5DAdl(n„3k) где — Ai,(<) = -—— =-—— - интенсивность ИС импульса. Тем самым, учиЛ UXjuX] uXjUXj

тываются густота РП и локальные углы натекания. Данный метод дает возможность приближенного описания потерь на перетекание за счет эквивалентного уменьшение густоты PII. Рассмотренная модель ИР диссипативна, т.к. определение f « через разрыв давлений в общем случае предполагает наличие противодействующей движению составляющей. Изоэнтропическая модель (случай ИИ) реализует условие:

(í.w)=0 (22)

С использованием (22) строится система сил,обеспечивающая движение среды вдоль заданных линий тока. Рассматривается движение лагранжевой частицы, имеющей в начальный момент состояние П , относительно РП, перемещающейся со скоростью и|э,. К частице прикладывается сила, под действием которой по истечении dt, она

приобретет направление движения под углом а, соответствующее состоянию П : w{'} = w',*' sin а + u

wl' cosa

(23)

Состояние П определяется замкнутой системой, составленной из уравнения импульса: (pWj)("A = (pWi)"->A + -i-A(,*"(í)dl,k = 1,2, условия (22), выраженного в терминах R

(15): A<i'(])(wi'> - u) + A(|'"¡)wj'' = 0, где А*,'",^- интенсивность ИС импульса, порождающего поле ИР, и (23), имеющей при

р<" = р<,*\ (24)

алгебраическое решение:

w(»> = (w¡'> _ u) sin a + w<"> cos a (25)

По известному w^" из (23) находится после чего для ИР-1а (см. табл.4) определяется значение внутренней энергии:

е.(.) = ео(,.) + (w(.) _ w(r.()u > (2())

а затем - температура и давление из (3),(2). Виды ИР {1,1а},{И,Па,116} родственны в пределах указанных групп, т.к. различия между ними обусловлены только шагом имитатора поверхностных сил (типов ИД, ИИ, табл.4). ИР-{1-Нб} реализованы многошаговыми разностными схемами семейства (4) - (5) согласно табл.5,6, где (...)' - разностные аналоги, и обеспечивают отображение полного спектра диссипативных свойств реальных радиалыш-осевых JIM П'Д и ТПД (с учетом потерь на перетекание). Рекомендации по оптимальному выбору ИР, адекватному диссипативной сигнатуре физического оригинала при использовании относительно грубых сегок содержатся в табл.7.

Численная реализация ИР - 1, 1а на основе (14)-( 16) при М=6 _Таблица 5

V m V» Физический смысл шага и составляющие его операции

1 0 0 Учет изменения изолированного основного течения в результате конвекции и действия сил давления: (6)

2 б 0 Учет влияния переноса среды через стенки газовоздушного тракта

3 3 2 Аппликация корнолисовых и центробежных сил: = (—мпрА),, [р{0,0,\¥,и,-2\¥г, и + 21»,,()}]£]_

4 4 3 Д(з» т Коррекция имитатором РП:(21)" при(24)-> = ж^3'Ц -» -*1(ИД):(15)-> -+(3)->(2) -* 1а (ИИ): а';', = агс18(*, / -> (25) -> (26) (3) -» (2)

5 5 4 Имитация днссипативных свойств процесса нормированием аппрокси-мационной вязкости.

6 2 5 Учет теплообмена со стенками канала

7 1 5 Имитация догорания топлива

Численная реализация ИР - II, Па, ¡16 на основе( 17)-(20) при М=7 __Таблица б

* 01 Физический смысл шага и структура алгоритмов

1 6 0 Учет влияния переноса среды через стенки газовоздушного тракта

2 3 1 Аппликация кориолнсовых и центробежных сил: = РЧ [р»,<0,0,0, *„->у,,0}]:1'»1

3 0 2 Учет изменения изолированного основного течения в результате конвекции и действия сил давления: (6)

4 7 2 Учет энергообмена в рабочих РП, вызванного действием Гк+ Гс+- Г»: (4) (6)-> (рАи-,*,)'" , (20) * ~> II (0.2)1,«2

5 4 4 1 Г _» „•"Т*" Коррекщ1я суперпозицией ИД-ИИ: <£¡5"^ = р— 0 4 + (1 - 0) Д где 9 = 1 для ИР-11, 0 е(0,1) -для ИР-Иа, 6 = 0 -дляИР-Нб

6 5 5 Имитация днссипативных свойств процесса нормированием аппрокси-мационной вязкости.

7 5 6 Учет срывных потерь в зоне передней кромки РП: (19)

8 2 7 Учет теплообмена со стенками кан.ыа

,9 1 7 И.мшация догорания топлива

Соответствие имитаторов peuiemoK профилей и класов лопаточных машин __ Таблица 7

Классы задач сх.ИР 0

Обтекание отдельных профилей I ¿0

Течения в малоразмерных центробежных I >0 -

компрессорах и импульсных радиально-осевых 1а >0 -

турбинах 11 Г 1

Течения в полноразмерных многоступенчатых II £0 1

ЛМ: осевых и осецентробежных компрессорах. Па ¿0 [0,1]

осевых турбинах Иб > 0 0

Метод расчета течений в РП не содержит в своей основе ограничений на применение в моделях более высокого уровня точности, чем построенные по схеме несущего диска, может быть использован также для расчета различных режимов обтекания отдельных профилей, сопоставим по ресурсоемкости с методом дискретных вихрей, но не связан с ограничениями по сжимаемости, пригоден для реализации на ПЭВМ минимального класса РС/АТ-386. В случаях, когда точная картина течения в улитке ради-ально-осевой турбины не имеет принципиального значения и оно не сопровождается интенсивными отрывными явлениями, возможна замена спиралевидной внешней границы упрощенной, имеющей форму поверхности вращения. Для отображения направляющих свойств улитки при этом используется объемный имитатор поверхностных сил.

. В подр.3.3 представлена OD ПМ процесса в цилиндре поршневого двигателя, т.к. на данном этапе применение более точных ПМ не совместимо с задачей построения комплексной модели процесса в ТПД приемлемой ресурсоемкости. Внутренний объем цилиндра V(t) отображен единственной вычислительной ячейкой. Процесс определяется уравнениям» баланса массы (концентрации компонентов) и энергии:

F = F + т1

I Яф 4 „ 1 2

где Г = |(р"У){1,со,е°}]"-вектор параметров в У(|);Ф„ = [(р*А)в{1,о),П] '-вектор : параметров потока, поступающего через клапаны (при ц = I - впускной, |д = 2 - выпускной), определяемый с помощью И11ВР-1/1аЛ¡/Па/116; б/1 = \"''{0,Л(л,ЛЕ}зЧ -ИС, имитирующие горение топлива согласно принятой модели, исходя из (12), (13), с использо-

-и-1 1+'

ванием формулы Внбе или аналогичных ей зависимостей; 84 * = \"*'{0,0, ЛЕ}< * - ИС, воспроизводящие теплообмен со стенками цилиндра.

В четвертом разделе представлено системное решение проблемы синтеза комплексных газодинамических моделей ГТД и ТПД, оптимизированных по ресурсоемкости. Многообразие задач целостной диагностики течений в тепловых двигателях может

быть классифицировано в зависимости от наличия свойств периодичности и симметрии . процессов в отдельных элементах проточной части согласно табл.8. Там же приведены примеры практических задач соответствующих классов.

Кпассификация задач численного моделирования нестационарных газодинамических процессов в ГТД и ТПД

Таблица Я

№№ Сим- Пери- Примеры

классов мет- одич-

задач рия ность

1 - переходные процессы: в ГТД при неоднородности поля параметров на входе в компрессор, в ПД без наддува

2 + - переходные процессы: в ГТД при однородном поле параметров на входе в компрессор, в ТПД

3 + установившиеся периодические процессы в ПД

4 + + установившиеся периодические процессы в ГТД цикла У—сот^, в ТПД

Использование свойства симметрии процесса позволяет при синтезе моделей классов 2, 4 уменьшать размеры геометрической подобласти решения иа величину зоны симметричного течения с учетом ее влияния на новой границе в форме условий периодичности. Задачам классов 3,4 соответствуют модели, синтезированные из ИМ течений в единичных типовых элементах проточной части с заменой остальных итерационными имитаторами, воспроизводящими их амплитудо-фазо-частотные характеристики согласно условиям периодичности. Модели для задач кл.1 включают в себя полный комплекс "физических" ИМ процессов во всех элементах проточной части и являются наиболее ресурсоемкими. Для коммутации ПМ с различным числом измерений выбираются сечения зон однородных течений по методике, расмотренной в подр.4.1.

В подр.4.2 представлены конфигурации целостной модели процесса в ГТД с изобарическим сгоранием. В силу отсутствия крупномасштабной цикличности, возможные практические задачи диагностики должны быть отнесены к кл. 1,2 ( табл.8). Например, задачи кл.1 возникают при проведении исследований нестационарных процессов, вызванных попаданием в спутную струю или аэродинамическую тень при маневрировании летательного аппарата. Из наиболее важных задач класса 2 можно назвать создание т.н. моделей ГГД второго уровня,предназначенных для получения характеристик, необходимых для разработки систем электронного регулирования "с полной ответственное-. тью" на стадии эскизного проектирования.Варианты конфигураций модели ГТД для задач кл. 1 представлены на рис.бЛ. Конкретная реализации Г1М КС определяется ее конструкцией. В случае трубчато-кольцевой КС применяется Ю ПМ (поз.2а), в которой в соответствии с локализацией процесса горения в отдельных жаровых трубах распола-

гаются группы ИС,имитирующих горение. Кольцевая КС воспроизводится 20 ПМ (поз, 2Ь) со сплошной полосой размещения ИС, индивидуальные КС - Ш ПМ (поз.2с). Для реализации данной модели, ввиду высокой ресурсоемкостц, необходимы ПЭВМ минимального класса РС-АТ/486/100. Свойства окружной симметрии задач кл.2 обеспечивают возможность построения модели,на несколько порядков более экономичной по сравнению с предыдущей (рис.бБ) за счет задания 20 ПМ турбины и компрессора (поз. 1,3) на ленточной подобласти шириной в единственный шаг. Ресурсоемкость данной модели позволяет использовать для ее реализации ПЭВМ минимального класса РС/АТ-386.

А Б

Рис.6. Структурные схемы вариантов модели процесса в ГТД цикла р = const А-полная конфигурация, Б - усеченная при условии осевой симметрии: подобласти RM: 1, 3 - многоступенчатых компрессора и турбины (2D). 2 - КС (ID), 2а - трубчато-кольце-еой КС (2D), 2Ь - кольцевой KC(2D). 2с - индиеидуагьных KC(1D), О^, £1В1и, П111и, - чоны имитаторов направляющих аппаратов (ВНА, ПН А) и рабочих колес (РК). ' • В подр. 4.3 представлены конфигурации модели процесса в ГТД периодического горения (ГТД ПГ) типовой схемы (рис.7А). Задачи кл.1 (табл.8) соответствуют переходным процессам, для которых характерны неоднородность поля параметров по тракту компрессора (поз.1,рис.7) и ресивера (поз.2) в окружном направлении, а вследствие этого - несовпадение фазовых диаграмм КСПД (поз.З) и лишенное свойств периодичности и симметрии поле параметров в ИТ (поз.4). Поэтому комплексная модель строится из 2D ПМ компрессора (ноз.1, рис.7Б), ресивера (uoi.2), ИТ (поз.4) и блока ID ПМ КСГ1Д (поз.З) в полном соответствии со структурой проточной части. При однородном поле параметров на входе в ГТД возникает характерная для задач кл.2 (табл.8) окружная симметрия течения в компрессоре, что позволяет уменьшить геометрическую подобласть ПМ компрессора до размера I иша в окружном направлении (поз.Г, рис.7В) и использовать 0D ПМ ресивера (поз.2'). В результате ресурсоемкость снижается примерно на SO1; !). На установившихся режимах емкостные свойства ресивера обеспечивают постоянство во времени и пространственную однородность полей параметров в нем. Вследствие этого создаются условия для работы компрессора в постоянном режиме, что по-

зволяет применить (Ш ПМ; реализуемую стандартными методиками расчета характеристик (поз. Г,рнс.7Г,Д). Кроме того, добавляются условия периодичности (з-ча кл.4, табл.8). В проточной части блокаМкс КСПД и ИТ можно выделить М групп по

М /М камер, фазовый сдвиг между процессами в соответствующих элементах ко-^ торых равен Т , л рассчитывать только одну из них с сопряженным фрагментом тракта . ИТ. Исходя из приведенных соображений, построены конфигурации модели ГЛ.

А

5 А-А

Рис. 7. Структурные схемы конфигураций комплексной модели газодинамического процесса в ГТД ПГ: А - конструктивная слит ГТД ПГ; Б-Д - конфигурации комплексных моделей классов /(Б), 2(В), 4(ГД); 1 - компрессор (подобласть 20 ПМ)Л'(1") - подобласть вырожденной 20 ПМ (Ой ПМ) компрессора, 1 - ресивер (подобласть 20 ПМ), 2' ■ подобласть 00 ПМ ресивера, 3- КС периодического действии (КСПД), 4 - парциальная импульсная турбина (ИТ) (подобласть 20 ПМ). 4' - подобласти 10 имитаторов фрагментов ИТ, 5 - сопловой канал (подобласть 20 ПМ ), 5' - подобласть Ю имитатора соплового канала, Ю имитаторов сопловых каналов и 20 ИМ ИТ, аЬ - дуга сопряжения ПМ сотового капала и ИТ, ей ef -границы ПМ ИТ

В схеме Г остальные КСПД (Мг = 2) воспроизводятся действием Ш итерационных

имитаторов (поз.5'), расположенных вдоль линии сопряжения групп сопловых каналов Мкс/М, КСПД (поз.5) н соответствующего фрагмента ИТ (поз.4). В схеме на рис.7Д используется условие существования в тракте ИТ Мкс идентичных зон, процессы в которых на установившемся периодическом режиме отличаются только фазовым сдвигом. Это позволяет свести к минимуму в окружном направлении подобласть 20 ПМ ИТ (цоз.4). На границах сс1, еГ ИТ задаются 10 итерационные имитаторы зон влияния смежны* КСПД (поз.4'). Последняя из рассмотренных схем на первый взгляд наиболее экономична, однако применение имитаторов требует задания начального приближения

о

Пь< (11) ла «1, еЛ обеспечивающего сходимость итераций. Конкретный выбор между схемами Г и Д зависит от специфики исследуемого процесса и возможностей располагаемой вычислительной техники.

В подр.4.4 представлены примеры конфигураций модели течения в ТПД со сво-вободным турбокомпрессором (рис.8). Модель ТПД для задач кл.2 с несимметричным полем параметров на входе в компрессор (I, рис.8) является наиболее общей и ресурсоемкой, что обусловлено необходимостью применетю Ю ПМ компрессора, заданной на невырожденной подобласти (поз.2). Впускной (поз.6,7) и выпускной (поз.8,9) коллекторы, имеющие идснтнчные структуры, в силу общности описания процессов рассчитываются идентично. В силу симметрии течения в турбине (поз.5) ее ПМ задается на ленточной подобласти шириной в одну ячейку.

I И

Рис.Н. Конфигурации комплексной моОели гил>динамического процесса е ТПД: I, II- конфигурации моделей оля шоач кл.2, 4; 1 - воздушный фильтр, 2 - компрессор, 3 -охладитель, 4 - цшиидры. 5 - турбина, 6,7, 8. 9 - коллекторы систем впуска и выпуска, 10 -цхилмню/! второго блока цилииОров с систсмами. 0СА,ЯрХ, Ад - и.штапшры РП и

&: начаточного диффуюра.

В качестве примера применения имшаюра фрагмента проточной части,использующего условия периодичности и симметрии, представлена модель работающего на установив-

шемся режиме V-образиого ТПД с суфлируемыми через полость охладителя наддувоч-. ного воздуха индивидуальными для каждого блока цилиндров системами, подключенными к собственному агрегату наддува с однородным полем параметров на входе в двигатель (II, рис.8, задача кл.4, табл.8). Ресурсоемкость модели II приблизительно на, 75% ниже, чем у модели I.

В пятом разделе представлены результаты решения ряда разнообразных задач газовой динамики двигателей, подтверждающие работоспособность и демонстрирующие основные возможности предлагаемой технологии численной диагностики.

В подр.5.1 содержатся материалы поэлементных и лоузловых исследований. Получена оценка методов имитации 3D явлений в зонах скачкообразного изменения проходного сечения: относительная погрешность вычисления "суммарного расхода массы при использовании ИПВР-I, II составила соответственно -4,59% и - 1,13%. Модель и метод расчета течения в камере сгорания периодического действия обеспечивают проведение диагностики и получение результатов в виде мгновенных распределений параметров по тракту, циклограмм процесса, а также интегральных характеристик. Численные исследования позволили оценить влияние на расходные характеристики камеры площади проходного сечения соплового канала, модификации диаграмм "угол-сечение", температуры на входе и противодавления на выходе. Оценка точности получена путем сравнения результатов расчета и натурных испытаний, проведенных ХКБД: расхождения в определении суммарного массового расхода лежат в пределах -9* +3%%.

Точность разработанного метода диагностики течений в РП ЛМ оценивалась путем сопоставления полученных численным экспериментом (ЧЭ) характеристик импульсной турбины ГГД ПГ (рис.9), радиально-осевой турбины и центробежного компрессора (ЦБК) агрегата наддува К-36 (рис. 10, 11), многоступенчатого осецентробежного компрессора ГТД (рис. 12) с результатами натурных экспериментов (НЭ), предоставленных СКВ ЧДЗ, расчетов, выполненных в ЗМКБ "Прогресс", а также автором по общепринятым методикам. Средние квадратические отклонения (СКО) составили:для радиально-осевых турбин: 0,005- по КПД, по расходам - 0,018, для ЦБК: 0,033- по КПД, 0,018 - по степеням сжатия, 0,069 - по местопожению границы газодинамической устойчивости (ГДУ); для полноразмерных турбин - 0,006 - по КПД, 0,031 - по расходам; для многоступенчатых компрессоров - 0,062 - по КПД, 0,042 - по расходам, 0.10 - по местоположению границы ГДУ. Для идентификации различных режимов работы компрессоров (рис.13) разработана специальная методика оценки ГДУ. в основу которой положено условие неубывания энтропии в направлении устойчивого течения (против оси Х2):

S(0)/S(*r)>». (28)

Адекватность данной методики можно показать, анализируя распределения параметров вдоль среднего меридиана (х2, рис.13) для режимов течения I - V в ЦБК. В точке I (рнс.11) на входной кромке угол набегающего потока отстает от геометрического и следствием этого явлется скачок энтропии при х2. = х" (рис. 14), затем по направлению

4CAJ

6.9

g.8

I

0.7

и

I* Ж\ Т 1

/ i А 1 Л 1 ä t_j

uuu iU i.5 'в!б в!т o!e о!э' ilo

К

Ppc. 9. Характеристики турбины ' газогенератора П'Д ПГ:

1-n«. Я,=0,4,2-п"и.^ =0.6; 3-Я,, я.. = 0,4; = 0,6;

5- Я, = 0,4,6-к, = 0,6;

_- ЧЭ,___- эталонный расчет

МЯ DSD BIG 0.1 S B.?U 0.Z5 0.30 0.35 0.40>0.45 0.50 0.55 Glwcl

РисJI.Характеристики ЦБК агрегата

■наддува:_- ЧЭ,___- НЭ; 1 - III -

устойчивые режимы работы, IV - V -неустойчивые

м мм Ii а л' № и ш

«и,

G/(i£i*löO%

Рис.10. Характеристики раоиалыю-

осешш т уриш/ы агрегата наддува К-36: Рис. 12. Характеристики мнчгм тупенча-

того осецентробежного компрессора: _____- ЧЭ:__- результаты расчета но стандартной методике; I-V - ус-пюйчише режимы; VI- неустойчивый

• * • • ) - НЭ; 12', 23', 33". 43'

} - чэ

1Н6,22-27,31-36,41-45

Ьй

N

ч>

ÍÜ

А

AÍ

Ld

Т

А

И

У

тяг

"цм.

___|_

-Í I ■ *m

¡f

а

к выходу из компрессора (Xj = 0) продолжается монотонный ее рост. Следовательно, . направленности движения в точке I: определяемая в равновесном процессе вторым началом термодинамики (28), и обусловленная инерцией потока (см.распределение w2) совпадают, что является признаком устойчивости. Состояние течения в точке II (рис.11)-характеризуется тем, что угол натекания близок к нулю, в зоне входной кромки распре-' деление S практически бесскачковое при сохранении признака (28) (рис. 13). В точке III характер процесса приобретает прннципи- « ально иные черты. Угол натекания потока после смены знака снова нарастает по модулю и в результате вновь возникает скачок S на входной кромке. Энтропия вдоль проточной части хотя и продолжает еще монотонно нарастать, а течение сохраняет признак (28); но здесь S(x") s S(0), что свидетельствует о термодинамической близости состояний в зонах х2 = х" и х2 = 0. Достаточно лишь незначительного возмущения течения в зоне *2 = (IV), чтобы привести к нарушению (28). В результате определяемая вторым началом термодинамики направленность равновесного процесса меняет знак, т.к. при S(x") > S(0) в устойчивой системе движение должно совершаться отх2 = 0 к х2 = х". Однако, силовые факторы, обусловленные инерцией потока, противодействуют его ре-версированию.Далее процесс устремляется к

новому равновесному состоянию, удовлетворяющему признаку устойчивости, что сводится к замедлению движения. Фазы релаксации процесса представлены точкой V нестационарного состояния течения. Далее, после фазы V, происходит реверсирование потока. Таким образом, условие (28) может использоваться для анализа ГДУ компрессора. В данном разделе также представлены результаты исследований различных режимов течения в осецентробежном компрессоре (I-VI, рис. 12), а также в ступени компрессора при дросселировании. В последнем случае решение получено с использованием модели, отображающей отдельные профили в решетке.

В подр. 5.2 включены примеры комплексной диагностики течений в авиационном ГТД, газогенераторе ГГД ПГ и V-образном ТПД MTU 8V396TC4. Для обеспечения синхронной обработки результатов ЧЭ в состав программно-диагностических комплексов введены средства анимационног о сопровождения.

Проведена диагностика переходного процесса в двухкаскадном 1ТД с осевым компрессором низкого давления(КНД), осеценгробежным компрессором высокого дав-

Рис. 13. Гязодинамические параметры

устойчивых и неустойчивых режимов работы одноступенчатого центробежного компрессора: I I I - рабочее колесо

ления (КВД), турбинами высокого давления .(ТВД), низкого давления(ТНД) и свободной (СТ), охлаждаемыми воздухом, отбираемым из КВД, при проникновении однородного высокотемпературного газовоздушного заряда (задача кл.2, табл.8). Динамика роторов турбокомпрессора (РВД и РИД) определялась балансом мощностей и моментами инерции. Частота вращения СТ и доля массового расхода отбираемого воздуха выдерживались постоянными. Углы установки поворотных НА компрессора заданы функциями частот вращения РВД и РИД. Тракт компрессора отображен на сетку из 496 узлов в меридиональном на правлении, КС - на 25, турбины - на 180. Приближение диссипатив-ных свойств ЛМ ГТД обеспечено адекватным выбором вариантов ИР (табл.7).На рис.14 представлены три "кадра" анимации,соответствующие различным фазам процесса. Композиция'каждого из них включает в себя окна, в которых отображено состояние течения в фиксированные моменты времени по основным узлам ГТД: компрессору (КНД+КВД), КС и турбине (ТВД+ТНД+СТ) с указанием механических связей по роторам. В верхнем ряду окон показаны распределения в среднемеридиональном сечении тракта Т", р° и X = sign(wz)w./а*. В нижнем ряду помещены распределения <о, S и расходов (G). В правом поле находятся индикаторы баланса крутящего момента на РВД и РИД. Здесь же указаны значения мощностей: полезной - на валу СТ и несбалансированных - на РВД л РИД. Все параметры, кроме времени, представлены в относительном виде.В исходный момент времени режим течения в ГТД установившийся, о чем свидетельствуют: постоянство расхода на участках между зонами отбора (подвода) воздуха в компрессоре и турбине, а также за зоной впрыска топлива в КС, монотонный характер изменения расхода в зонах отбора (подвода) воздуха; баланс расходов входящего воздуха, впрыскиваемого топлива и газа на выходе из турбины; баланс крутящих моментов с точностью до + 3 % по РВД и - 5 % - по РИД. Как видно из распределений полных температур и энтропии, на входных кромках РК КНД и КВД отсутствуют скачки, т.е. углы натекания мало отличаются от геометрических. Причем, судя по монотонному характеру нарастания энтропии в направлении течения, КВД и КНД имеют большой запас ГДУ. Компрессор обеспечивает напорность, близкую к максимальной, т.к. в наиболее узком сечении его тракта - на выходе из ЗРК КЙД устанавливается околокритическая скорость, а в остальных ступенях - высокая дозвуковая. В СА ТВД газ движется с критической скоростью, определяя тем самым значение расхода через двиг атель в целом.В ГИД и СТ течение дозвуковое. Далее в компрессор попадает заряд высокотемпературной газовоздушной смесн(<у=0,5, Т° =3,025Т° ,р° =р°, где ..." - парамегры невотмушенного потока). При заполнении зарядом ст .Nj.V.'1,2 и в начале его проникновения в ст.№3 КНД расход массы падает примерно в 3,6 раза. Однако, давление остается практически неизменным. В связи с этим объемный расход уменьшается не более, чем в 1,2 раза. Учитывая, чш поюк в КНД и на установившемся режиме был дозвуковым, можно заключить, что кинематика течения существенно не нзмененяется - характер распределений температур и -»тройни по-прежнему бесскачковый. Процесс в КНД протекает при сохранении прежних степеней сжатия, за счет чего полная температура на выходе из нею вдвое ирсиы-

шаст таковую на выходе из КВД. Происходит дополнительное падение расхода в зоне . нахождения заряда. Начинает проявляться газодинамическая неустойчивость в КНД, о чем можно судить по скачкам температур и энтропии в области входных кромок РК,

■ .У21.. Распределении параметров течения в меридиональном направления

Компрессор . низкого давленая

Дисбаланс Мкр. Мощность р<4 от ном 4

Компрессор Камера ТОПП||) Свободная Частота ар.. : высокого давления сгорания,адтурбина {N4 от ком4 ^

..............П1 пп

с--

li.oto.ssi

Рис. 14. Фат переходного процесса в ГТД:\-1 - направляющая решетка:

СГГ.1 - рабочее колесо; - зоны отвода (подпо/)а) охлаждающего воздуха Малые возмущения, распространяющиеся вниз по потоку, пронизывают весь КВД. В момент 0,00521с местонахождение заряда можно установить по распределению а: верхняя граница расположена в зоне 1РК КНД и нижняя - растянута между КНД и КВД. На вход в компрессор вновь поступает воздух с параметрами, соответствующими номинальному режиму работы. Характер течения в зоне входной кромки 1РК КНД близок к безотрывному, судя по виду распределений температур и энтропии, т.е. тдесь уже успело

произойти восстановление устойчивости после прохождения заряда. Остальные ступени КНД находятся в состоянии резко выраженной газодинамической неустойчивости: отчетливо проявляются температурные и энтропийные скачки; значения энтропии на входе и выходе 2-4РК близки или равны. Начинается проникновение газовоздушного заряда в ст. №1 КВД. Малые возмущения, вызванные продвижением заряда по тракту КНД, обусловливающие дальнейшее падение массового расхода в компрессоре, достигли фронтальной части КС, но еще не успели повлиять на процесс в зоне впрыска топлива. Момент сопротивления КНД начинает расти, но, благодаря неизменному режиму работы ТНД, на РНД сохраняется положительный динамический дисбаланс. Энергообмен в КВД снижается, что при постоянстве режима работы ТВД приводит к положительному дисбалансу на РВД. К моменту 0,02083с процесс в компрессоре приближается к установлению. Зона критического течения сжимается и перемещается против потока. Газовоздушный заряд почти полностью поглощен основной средой в КС: его границы размыты, а следы обнаруживаются только в форме глобальных максимумов Т", со, Б. В ТВД и ТНД растут полные давления и расходы массы, вызывая повышение энергообмена и стремление к балансу на РВД и РНД. Переходный процесс практически завершается за 0,07292с. Общее время ЧЭ на ПЭВМ РС/АТ-486/100 составило ЮчЛбмин. Точность результатов оценивается следующими значениями СКО параметров и характеристик рабочего процесса: для турбин - 0,05- по КПД, 0,05 - по расходам, 0,04 - по степеням расширения; для компрессоров - 0,06 - по КПД, 0,02 - по степеням сжатия, 0,042 - по расходам, 0,10 - по местопожению границы ГДУ; для ГТД в целом - 0,04 - по мощностям ■на валах ЛМ, 0,05 - по расходам воздуха; 0,05 - по температуре газов перед турбиной. Базовые расчеты для номинального режима выполнены в ЗМКБ "Прогресс".

Упрощенный вариант технологии численной диагностики применялся для исследований установившегося процесса в газогенераторе ГТД ПГ (рнс.7А, Мкс = 12, Мг =■ 2, задача кл.4, табл.8) на основе модели вар.Г, рис.7Г. Ш ПМ КСПД отображена

на равномерную геометрическую сетку с числом узлов 30, имитатор КСПД - на 100 узлов, 20 ПМ САщ- п Р Кщ (вместе с межосевыми зазорами)- на сетки 2 х 7и 24 х 15 .На

рис.15 представлены циклограммы давлений (р), температур (Т), модулей вектора скорости (|й|) на срезах СА КСПД №№ 1-6, позволяющие проследить волновое движение в

направлении, обратном окружному. Тем самым была установлена неприменимость квазистационарной гипотезы к процессу в парциальио-импульсиой турбине. Разработанный диагностический комплекс обеспечивает получение разнообразных интегральных мгновенных характеристик процесса: циклограмм мгновенной мощности ИТ, средних за I цикл (мощности, располагаемой (на выходе из газогенератора) и на валу ИТ; массово! о расхода газовоздушной смеси, КПД ИТ и т.п. Расчет адиабатической мощности ИТ показал, что для получения проектных характеристик номинального режима необходимо обеспечить.дополнительный о1бор энергии газовоздушного потока,что подтверждено результатами экспериментальных и расчеты* исследований, проведенных в ХКБД н Казанском авиационном инспиуге.

Диагностика установивше-. гося процесса в четырехтактном 8-цилиндровом У-образном ТПД, с суфлируемыми через охладитель наддувочного воздуха системами впуска каждого из двух блоков цилиндров (А и В) и автономными системами выпуска (задача кл.4,табл.8) проведена на базе модели II, рис.8,Сетки ГО ПМ коллекторов имеют следующие параметры: впускного - 30 узлов для основного канала и 8 для патрубков; выпускного - 24 и 8 соответственно; 20 ПМ - 1x22 - для компрессора и 1x30 - для турбины. Отдельные фазы процесса в ТПД представлены на рис.16. На центральных панелях показано состояние процесса в целом в виде графиков и диаграмм согласно

Si

so* а

lio*

Рис. 15. Циклограммы параметров на срече сотового аппарата импульсной турбины структуре блока цилиндров с системами в едином масштабе. На каждый из элементов проточной части приходятся по два окна: в первом помещены графики, распределении Т°, р° и X, во втором - и, S и G. В окнах основных каналов систем впуска-выпуска нанесена вертикальная сетка для указания мест подсоединения подводящих и отводящих патрубков. Для отображения состояния процесса в цилиндрах А1...А4, используются: схематическое нх изображение при соответствующем положении поршня, КШМ, впускного и выпускного клапанов, диаграммы Т, р, ю, S, цифровой указатель значения коэффициента избытка воздуха(а) с тоновой индикацией реакции горения. Справа указаны экстремальные значения параметров; слева - частоты вращения коленчатого вала и ротора турбокомпрессора (РТК), помещены расходная характеристика цил.АЗ. указатели фазы впуска цил.В1-В4, индикатор баланса крутящего момента на РТК. B¡ связи с существенным поузловым различием в масштабах амплитуд, в картину фазового среза включены представленные в индивидуальном масштабе на дополнительных панелях графики Т°, р° в системах впуска-выпуска. Для оценки ГДУ компрессора, дано распределение энтропии в безразмерном виде. При а„ = 0°(720о> :в цилиндре Al - конец такта впуска в А2 и АЗ - интенсивные стадии тактов выпуска и впуска соответственно, в. А4 -начальная фаза сгорания топлива. В В2 начинается открытие впускного клапана. Данная фаза позволяет выяснить причины различий газообмена в цилиндрах бл.А.Максимальное давление по системе впуска зарегистрировано во впускном канале А4, несмотря

30

система впуска""

« = 0 ЕВ

О

Т 1К1 1233 ..332.1 го [И1а1

1.18..221

' __

(Гев-.гы

а = 432е

кв

II*

систем впуска

система вьлуска компрессор '

Г" (К1

тубми

Л|(Г

1° 1К1

1293.,988.1

ро (ИПа1 (.18.5.841

X

11.68,1.881 Ш

С. 88.1.88] Б

Ш42..-948.1 Р° (К№1 С. 11,. 231

систем впуска

систем вытеска турбина

компрессор

Под- 1858. об/имн пгк - 57884. об/нт

Б 1кг/с] АЗ 1.61235..561271

а

2.28 (11

. а

2.28 (12

а

2.25

5 ЙЗ

ОС м

j-.li

и /

1.88.3.751 6 1кг/с1

Баланс кр.иом. N к Ш »

1Ыи

1° 1К1 [293.375.1 го 1НГи>1

(.18.. 191 5

ТЖ.241

систем влуска

систем выпуска компрессор

Т° 1К1

турбина

(833 ..946.1

1НП*1 (.18..221

смоем выпуска 1урбта

Рис. 16. Фаш процесса в ТПД\-1 - улитка, I - рабочее колесо

на падение давления в зоне сочленения с основным каналом, вызванное всасыванием воздуха в АЗ. Инерционность вентиляции подводящих иа1рубкоа объясняется, помимо значительной их емкости, коммутацией с основным каналом под прямым углом, что воспроишолшся нмшаюром ЗО явлении при вытекании из нафубка. С удя по графику

и

Б, потери в канале системы впуска в основном локализованы в зонах всасывния воздуха в патрубок АЗ и сопряжения с безлопаточным диффузором компрессора. Отсутствие скачка в на входной кромке РК компрессора свидетельствует, что мгновенное значение его КПД близко к максимальному. Минимум в в начальной части основного канала, впускного коллектора вызван отбором теплоты в охладителе наддувочного воздуха. • Действие турбины обеспечивается единственно активной в данный момент системой выпуска А2.Течение в турбине дозвуковое, сопровождающееся потерями на входной кромке (по графику в). Для фазы ага = 432° характерны интенсивные стадии процессов выпуска и впуска в А1 и А4 соответственно. В А2 происходит сгорание топлива, изменение а по сравнению с предыдущим циклом не превышает 0,5%. В АЗ завершается рабочий такт и начинается выпуск. Высокоэффективный режим работы компрессора поддерживается за счет процессов впуска в А4 и В4. Максимум потерь в системе впуска находится в зоне клапана А4. Относительно благоприятный режим работы турбины обеспечивается процессами выпуска из А1.АЗ. На РТК имеется избыточный крутящий момент. Оценка точности результатов ЧЭ получена путем их сопоставления с данными НЭ, предоставленными СКВ ЧДЗ. СКО составили: для турбины:0,01- по КПД, по расходам - 0,02, для компрессора:0,03- по КПД, 0,02 - по степеням сжатия, 0,07 - по местопожению границы ГДУ; для ТПД в целом: 0,05 - по эффективной мощности, 0,06 - по максимальному давлению цикла, 0,03 - по среднему эффективному давлению. Время расчета 1 рабочего цикла ТПД на ПЭВМ РС/АТ-486 0X4/100 составляет 56 мин.

ВЫВОДЫ

I. Представлено семейство унифицированных газодинамических моделей, обеспечивающих решение проблемы комплексной численной диагностики нестационарных течений в проточных частях газотурбинных и турбопоршневых двигателей. В основе целостных моделей процессов в ГТД и ТПД лежит универсальный набор базовых методов моделирования типовых течений в газовоздушном тракте, использующих принцип нат ложения источников-стоков массы (концентрации), импульса и энергии,

1.!. Семейство методов имитации пространственного характера течений в зонах скачков сечений каналов в экономичных моделях с пониженным числом измерений по принципу коррекции одномерного решения задачи о распаде начального разрыва трехмерным, получаемым из интеграла Эйлера, с учетом актуальной фазы развития образующейся пространственной волны разрежения.

1.2. Метод отображения кинетики горения отдельных порций топлива, впрыскиваемого в газовоздушный поток в произвольные моменты времени, на основе слежения за химически реагирующими частицами с помошыо аналога уравнения неразрывности.

1.3. Семейство методов имитации взаимодействия профилей с потоком, учитывающих мгновенное состояние полей параметров течения, геометрические характеристики проточной части, профильные потери, действие кориолисовых и центробежных сил. Имитаторы взаимодействия могут применяться в форме несущих дисков или дискретных образований, отображающих отдельные профили. Газодинамическая нагрузка на

профиль определяется с помощью решения .автомодельной задачи о взаимодействии однороднрго одномерного потока газа с преградой. Семейство методов предназначено для исследования течений в решетках радиально-осевых турбин и компрессоров на любых физически реализуемых режимах течения и позволяет отобразить диссипативные свойства с приемлемой для решения практических задач точностью.

На основе набора базовых методов строятся модели процессов двух уровней: типовые поузловые (подмодели камер сгорания, многоступенчатых лопаточных машин, коллекторов и т.д.) и комплексные (целостные), составленные из подмоделей узлов. Общее решение задачи построения комплексных моделей газодинамических процессов в ГТД и ТПД получено в виде единого метода синтеза, использующего свойства периодичности и симметрии.

2. Применение однородного математического описания явлений различной физической природы, образующих процесс в теплором двигателе, выраженного в терминах метода особенностей, позволило использовать для реализации моделей единый экономичный численный метод, представляющий собой семейство явных разностных схем на основе модифицированного метода С.К.Годунова, и унифицированные комплексы программ, совместимые с возможностями ПЭВМ класса 386/486. Таким образом, целостные модели течений в ГТД и ТПД, базовые методы расчета течений в типовых элементах газовоздушного тракта и средства программной реализации в совокупности следует рассматривать, как универсальную малоресурсную технологию численной диагностики нестационарных газодинамических процессов в тепловых двигателях.

3. Модели нестационарных течений в ГТД и ТПД обеспечивают необходимую для решения практических задач полноту представлений об исследуемых процессах и, в отличие от известных аналогов (использующих данные типа коэффициентов расхода в зонах скачка сечения, характеристик лопаточных машин и т.п.), основываются только на универсальных фншческих законах, что позволяет минимизировать необходимый объем априорной информации, и практически всережимны.

4. Достоверность информации, получаемой при использовании разрабоинной технологии численной диагностики, подтверждена в результате комплексной верификации, включающей в себя всесторонние методические и тестовые исследования, а также сопоставительный анализ результатов численного эксперимента - с одной стороны, а с другой - натурных испытаний и расчетов, выполненных по стандартным меюднкам. При ком были получены следующие значения средних квадратических отклонений параметров и характеристик рабочею процесса - дня турбин: 0,05 - по КПД, но расходам -0,05, но степеням расширения - 0,04: для компрессоров: 0,06 - по КПД, 0,02 - по степени сжашя, 0,042 - но расходу, 0,10 - по местоножению 1раницы ГДУ; для ГГД в целом: 0,04 - по мощностям на валу турбомашин, 0,05 - по расходам воиуха; 0,05 - по температуре газов перед турбиной; для ШД в целом. 0,05 - по -«ффекшвной мощности, 0,06 - но максимальному давлению цнк.1а„0,03 - но среднему эффокишному давлению - чю но заилило оценить точность ризра&ошшон тсхнило! ин исследований как вполне удовлетвори-

тельную для решения практических задач. .....-

5. Проведены численные исследования нестационарных течений в основных узлах тепловых двигателей, в авиационном ГТД, i-азогенераторе опытного ГТД периодического сгорания и в 4-х тактном ТПД.

5.1. Диагностика течения в камере сгорания периодического действия позволила получить оценку качества процесса газообмена и установить характер влияния модификации диаграмм "угол-сечение" впускных и выпускных клапанов, противодавления на выходе, площади критического сечения соплового канала.

5.2. Для получения характеристик стационарных режимов работы ДМ (рабочего колеса импульсной турбины газогенератора ГТД ПГ, центростремительной турбины и центробежного компрессора агрегата наддува К-36, трехступенчатого компрессора высокого давления двухкаскадного авиационного ГТД) использовался метод установления. Граница ГДУ компрессоров определялась с помощью специально разработанной методики, использующей условие возрастания энтропии в направлении течения в квазиравновесных процессах. В результате проведенных исследований были получены характеристики "запредельных" режимов работы ЛМ и оценки точности метода моделирования течений в решетках турбомашин.

5.3. Проведена комплексная диагностика процесса, развивающегося в двухкас-кадном авиационном ГТД со свободной турбиной при попадании в спутную струю на номинальном режиме работы. Получена картина эволюции течения в проточной части ГТД по мере прохождения заряда высокотемпературной газовоздушной смеси. Показано изменение температурного режима в "холодной" части тракта. Дан анализ характерных фазовых состояний процесса в КНД и КВД с оценкой ГДУ. Представлена динамика РВД и РИД. Определен временной интервал установления процесса в ГТД. Подтверждена адекватность отображения моделью характеристик ГТД, как объекта регулирования.

5.4. Проведена комплексная диагностика процесса в газогенераторе опытного ГТД ПГ, состоящего из компрессора, ресивера, блока двухклапанных камер сгорания периодического действия и парциально-импульсной турбины. Получены циклограммы параметров процесса и интегральные характеристики газогенератора. Исследовано течение в турбине, установлена неприменимость нему квазистацнонарной гипотезы.

5.5. Проведена комплексная диагностика процесса в четырехтактном ТПД MTU 8V396TC4 производства ЧДЗ с учетом динамики ротора турбокомпрессора. Получены интегральные характеристики рабочего процесса. Исследованы: газообмен в цилиндрах, течения в системах впуска-выпуска, характерные фазы процессов в компрессоре и турбине агрегата наддува, влияние суфлирования систем впуска обоих блоков цилиндров через полость охладителя наддувочного воздуха.

6. Газодинамические модели и методы, реализованные в виде программных комплексов. результаты численных исследований процессов в ГТД и ТПД внедрены в практику НИОКР Запорожского машиностроительного КБ "ПРОГРЕСС", Харьковского КБ по двигателям, СКБ Чебоксарского дизельного завода, а также использованы в учебном

процессе кафедры теплофизических основ двнгателестроения ХАИ. Частичная замена натурных .исследований численными позволила сократить сроки и снизить стоимость НИОКР, проведенных в ХКБД. Результаты данного исследования могут быть применены на предприятиях, занимающихся разработкой авиационных и наземных ГТД и ТПД. Пункты 1-6 "ВЫВОДОВ" выносятся автором на защиту.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Амброжевич A.B. Комплексная технология численных исследований нестационарных газодинамических процессов в газотурбинных и турбопоршневых двигателях.// Доклады Второго Конгресса двигателестроителей Укранны.-Харьков, 1997. -С. 118-122.

2. Амброжевич A.B. Численная реализация двумерной модели нестационарного течения в радцал'ьно-осевой лопаточной машине. II Изв.ВУЗ.Авиац. техника.-1992.-№3. -С.33-37.

3. Амброжевич A.B. Моделирование газодинамического процесса в компрессоре в широком диапазоне режимов работы.// Доклады Второго Конгресса двигателестроителей Украины.-Харьков, 1997. -С.123-126.

4. Амброжевич A.B. Комплексная численная диагностика газодинамического процесса в турбопоршневом двигателе.// Доклады Второго Конгресса двигателестроителей Укранны.-Харьков, 1997. -С.113-117.

5. Амброжевич A.B. Численные исследования переходного процесса в ГТД.// Доклады Второго Конгресса двигателестроителей Украины.-Харьков, 1997. -С.109-112.

6. Амброжевич A.B. Численное моделирование газодинамического процесса в камере сгорания периодического действия. // Газовая динамика двигателей и их элементов: Сб. науч.тр.-Харьков, 1987, С. II5-125.

7. Амброжевич A.B. Численный метод реализации плоской модели течения среды в решетке лопаточной машины. // Энерг. машиностроение. - Харьков, 1988.Вып.46.-С.93-99.

8. Амброжевич A.B., Костенко П.П. Целостная модель нестационарного газодинамического процесса в газотурбинном двигателе.// Авиационно-космическая техника и технология: Тр.ХАИ им. Н.Е.Жуковского за 1993 г. -Харьков, 1994. - С.139-146.

9. Амброжевич A.B., Мунштуков Д.А. Модель нестационарного пространственно неоднородною течения в радиально-осевой лопаточной машине. // Изв.ВУЗ.Авиац. техника. -1992. - №2. - С.44-47.

10. Амброжевич А.В..Костенко П.П..Мунштуков Д.А. Семейство целостных моделей газодинамических процессов в турбопоршневых двигателях. // Авиационно-космическая техника и технология: Тр.ХАИ им.Н.Е.Жуковского 1995 г. -Харьков, 1996. -'С.159-163.

11. Амброжевич А.В..М)шш>ков Д.А.,Костенко II.11.Моделирование нестационарного газодинамическою процесса в камерах и ориннн ГТД7/ Авиационно-космическая техника и технотогия. Тр.ХАИ им. Н.Г.Жуковскою 1994 г. - Харьков, 1995, - С.110-118.

12. Мунитков Д.А.. Амброжевич A.B. Одномерная модель нестационарного движения двухкомпоиеншой среды в канале с диафрщ мой.// Гаютермодннамика многофазных потоков a iifcpi остановках: Сб.наутлр. -Харьков. 19S4. - Вын.6. - С 101-108.

13. Муншг)ков Д А.,Амё|к>жсвич А.В.ОдноМ'.-рная модель газодинамическою процесса

а камере сгорания периодического действия, II Газовая динамика двигателя и их зле- -ментов: Сб.науч.тр. -Харьков, 1987. - С.106-115.

14. Мунштуков ДА., Амброжевич А.В. Приближенная модель нестационарных пространственно неоднородных течений в решетках лопаточных машин. /(Энерг. машиностроение: Сб.науч.тр.-Харьков, 1988. - Вып,46. - С.13-18.

15.Костенко П.П., Мунштуков Д.А., Амброжевич А.В. К расчету нестационарного течения реального газа по тракту турбомашины с изменением энтропии. II Изв.ВУЗ. Ави-ац. техника. № 3, -Казань, 1994. - С.62-67.

16. Амброжевич А.В. Численное моделирование течений а тепловых двигателях и энергоустановках. -Харьков, ХАИ, 1995, -145с.

АННОТАЦИЯ

Амброжевич А.В. Обобщенные газодинамические модели и методы численной диагностики нестационарных процессов в газотурбинных и турбопоршневых двигателях. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.07.05 • тепловые двигатели летательных аппаратов. Харьковский авиационный институт им. Н.Е.Жуковского, 1997.

Разработана универсальная технология комплексной численной диагностики нестационарных пространственно неоднородных газодинамических процессов во всем газовоздушном тракте газотурбинных и турбопоршневых двигателей, включающая в себя унифицированное семейство всереясимных моделей течений в типовых элементах проточной части (камерах сгорания, лопаточных машинах, цилиндрах), базирующихся на

N

методе особенностей, метод синтеза целостных моделей процессов в тепловых двигателях традиционных и перспективных типов, методы численного решения систем уравнений моделей и комплексы программ.

ABSTRACT

Ambroiewicz A.V. Generalized Oas Dynamics Models and Methods of the Numerical Diagnostic of Unsteady Process in the Gas Turbine and Turbo-Supercharged Piston Engines. Thesis for an Academic Degree of Doctor of Thecnical Sciences of the Speciality 05.07.05 -Aircraft Heat-Engines. Kharkov Aviation Institute, 1997.

Vcrsatil technology of the integrated numerical diagnostic of whole inner unsteady space non-uniform air-gas flow in the gas turbine and turbo-supercharged piston engines is developed. This technology is involved unificated family of all-regimes inner flow models in the typical assembly (combustion chambers, vane machines, cylinders), which are based on the method of particularity, method of synthesis of integrated process models in the usual and perspective types of the heat engines, methods of numerical solution of model's equation's systems and integrated soft ware.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА

Комплексные вссрежимные модели, нестационарные пространственно неоднородные газодинамические процессы, газотурбинные и турбопоршневые двигатели, камеры сгорания, лопаточные машины, цилиндры, методы расчета, численная диагностика.

Отв, 1а выпуск Купгшпн.ч м ф

Подписано к леча ги 27.12.97г Тиг,аж |00

Бссплцтн^,

Хцрьков-70, ул.Чкалова. 1 Напечатало а типографин ХАИ