автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Расчетно-теоретическое исследование двумерного течения в многоступенчатых осевых компрессорах

^ ха^свс-ои авиационный гнстптут н.е. гзшзш/го

7 7 ^К? ^

На правах рукописи

Яневич Владимир Николае г. ич

РЛСЧКТНО - ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДВУМЕРНОГО ТЕЧЕНИЯ В ШЮГОиУПЕ ;тых ОСЕВЫХ КОМПРЕССОРАХ

Специальность: 05.07.05 - тепловые двигатели летательных аппаратов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических паук

Харьков 1995

Д;.ггортйш;л является рукописью

Р&Зэх-а наполнена на кафедре теории воздушно-реактивных двк-гладей Харькосекого авиационного института им. Н.Е. Жуковского. ¡¡.^учииД руководитель: кандидат технических наук,

, старший научный сотрудник -Бойко Лздыила Георгиевна Научный консультант: Заслуженный работник высшей

пколи Украины, доктор технических нтук, профессор

Ершов Ьладюмр Николаевич ОЬшщалыц:^ олгшонтш доктор технических наук,

профессор

НУКСТУКОЕ аИОМИД Аполлонович, • доктор технических наук, , профессор

Палагин Анатолий Андреевич Юздуцая организация - Запорожское машиностроительное коис-^рукторокоо Оззро "Прогресс" (г. Запорожье)

Зашгса соотокюя "31," и°рта 1995г.в <$> часов в ауд. 427 глазного корпуса ,па заседании специализированного совета ¿"053.14.02 в Харьковском авиационной институте (310070, Харьков, уд. %адопа,17)

Проста .принять участие в обсуждении диссертации или прислать отеиз на автореферат, ваверошгьй печатью.

С диссертацией иелло ознакомиться в библиотеке Харьковского авиационного института.

Автореферат разослан "_££_" 1995г.

Учений секретарь с сЯСи о ■ Корнилов Г.Л.

сшшшдшировшшого совета Д053.14.02, ' кандидат технических наук, профессор

отая ХАРАКТЕРИСТИКА РЛЕОТИ

Актуальность теш. Разработка висскозкоиомкных, оф£:ггш!г;п: обладаздих значительным ресурсом декационта двигателей и отэд::-онаршх газотурбинных установок (ГТУ) - пакная задача л "Л шяшо~ мики Украины, рет.екие которой позволяет уксньиить сетрст? теп-ллвно • энергетической проблемы для народного хозяйства строги,, а также создать конкурентноспссобную на спросом рылг.о прсду;пгго.

В этой свяни является актуальной разработка новых и утсчг.5-ние ¡зструющих методе;; расчета течения в двигателях и их моментах на основе достижений опытных исследований и более полного учета пространственных и вязких эффектов. Кро;;э того, бодьгашс-тво расчетных методик, используемых в настоящее зрзия з практгпсэ конструкторских 0«ро, созданы вне территории Украины, что сат-рулняет обновление устаревиих версий и устранение внлвдяемк п процессе эксплуатации программ недостатков.

диссертационной работ» является усовершенствованна разработанного ранее в ХАИ метода поверочного расчета двуиорпого течения в дозвуковых многоступенчатых осевых компрессорах, /¡наляг особенностей потека в реальных компрессорах, выработка рз-коиендацнй по повывении их эффективности, внедрение результатоз на предприятиях промзленнссти определяет практические задачи исследования.

Для достижения указанной цели били пересмотрены, уточнены и дополнены алгоритмы оснстзных структурных элементов исходного иэ-тода, проведено их тестирование по результатам эксперименталыпи исследований, проанализировано течение в сестн компрессорах авиационных двигателей и стационарных газотурбинных установок па различных релизах по расходу и частоте вращения.

Ноььр« ниу-шими результата)/:; являются следующие.

1. Разработан усовершенствованный вариант метода расчета дву-"'ггнс''с дерзукозого течения б многоступенчатом сеевом компреосо-.

поевоЕЯйсшЧ определять радиальное распределение параметров сроки са Ееицаш!, рассчитывать сухарные характеристики, прогно Вй^ог-ать ьглшпно изменения геометрии проточней части на величину пграмтроз потока.

Е. РизргСогш» изтодкка расчета параметров пограничного слоя На огршгчйв&шг* поверхностях многоступенчатого компрессора, сваоьаннаа На решении систекы. ураснепий пвювнгд вавкой кесжиыа-смо51 аикссян ь иалаопаточних каналах сенцов и учитывавшая нь«-пэшм ' дойстпуайдях ■ па ¡лопатку сш по одаоте пограничного слоя, процесс обмена иэзду ядрои потока «'пограничным слоем.

3. Продлодзка иетодака определены граница устойчивой работа кошро ссора» в которой »мпояьсоваш критерии отрыва потока с поверхности лопаток, гтриадоонное условие ызкеимума потока мзхани-чесной анергии. ' '

Практическая ценность работ» состоит в следующем.

1. Разработан и внедрен в практику проектирования комплекс программ расчета течения в многоступенчатом компрессоре.

2. Проведено численное исследование течения в компрессорах авиационных двигателей и стационарных ГТУ на различных- рейках, повволивсое дополнять имеющийся объем экспериментальной игформа-цни о структуре потока.

о. Для вновь спроектированных компрессоров, по которым отсутствуют опытные данные, выполнен анализ соответствия суммарных параметров их проектным величинам, условий обтекания венцов, согласования работы ступеней.

. 4. На основе результатов вычислений предложены модифицирован ные варианты проточных частей компрессоров стационарных ГТУ, поз волящие расширить область устойчивой работы и повысить суммарный

s

расход.

Лпробагщя работы. Сравнение результатов вычислений с дон-

ными экспериментального исследования течения в ксшрессораз» статис лмеская оценка точности полученных результатов подтвердили достаточную надежность программного комплекса и созмозясо5Ь его применения на этапах проектирования и доводки многоступенчатых машин.

Полученные б диссертационной работе результаты 1со!шлогсс программ используются на Запорожской машиностроительном KU "прогресс", Харьковском производственном объединении "ТурЗоатсм", Sa-порохекои предприятии "Нотор С1Ч".

• Основные материалы л результата диссертации локладиваажсь пз республиканской конференции "Математическое моделирование Процессов и конструкции энергетически и транспортных газотурбшшх установок ь" систеиах автоматизированного проектирования" г. Готвальд, 1688г.;

первом Всесоюзном научно-практической сешшар-з по автоматизации инженерного труда, г. Харысов, 1090г.;

международной каучно-технлческой конференции "СозерсэнстЕова-ние энергетических и транспорт{гых турбоустэловок кзтедаип нате-матического моделирования, вычислительного и физического огсепе-римента", .Змиев, 1594г.; ;

III Всесоюзной каучно-техничесгай конференции "Совронэшшэ'> проблемы двигателей и энерг:тическнх установок летательных аппаратов", МАИ, Мосгаа, 1986г.; '

Всесоюзной научной конференции "Газотурбинные и комбинированные установки", МВТУ им. Баумана, Москва, 1987г.;

III отраслевой научне - технической конференции Аэродинамика

ti газодинамическая устойчивость компрессоров ГТД", г.Москва, ЦИ-U'кц.Баранова, 1031г.;

научно-технических конференциях ХАИ е период 1987-1993г.

. Публикации. Результаты выполненных работ опубликованы в б статьях и 6 тсвисах докладов.

Структура и объем работы. Диссортацня состоит из введения, чэтырех глав, заключения, списка использованных источников, вклэ-vi^s^ro 151 наименование. Работа содержит 131 страницммашинопио-пого текста, 73 рисунка, 7 таблиц, Есего 193 страшш.

OWKAHHE РАБОТЫ _Ро введении обосновывается актуальность выбранной научно -чохничоской задачи, отмечается новизна и практическая значимость пол5"1ешшх результатов. •

В первой гладе рассмотрены возможные пути' построение совремон-1ПЯ методов расчета течения в многоступенчатых компрессорах.

В алгоритмах таких методов испохьзуатся следуквде структурные элзцеаты: расчет кеаязкого потока, учат влияния свойств течения реальной жидкости, включающий определение потерь полного ласхопил, углов отставания потока, загромождение проточной части . пограничными слоями. Результаты экспериментальных исследовании последних лет свидетельствуют о необходимости учета турбулентного перемешивания потока в радиальной направлении.

loiiasaiio, что при расчете параметров мщкости в компрессорной ступени возможно использование подхода, опирающегося на концепцию активного диска в сочетании с предложенным В.Н. Ершовим вариационным условием максимума потока механической энергии через определяющее сечение (F). Согласно г>тоыу условию среди множества математически возможных форм движения на рассматриваемом

участке течения реализуется та единственная Форш, при кагорсЗ для задаитюго сукшрпого расхода потек лрир&дошя !:зхаяическс.1 энергии (J) .будет максимальным

J - 5npCxcJF —- мах, где Н - приращение механической энергии.

Внтечаюг.ее из вариационного условия магаимута потока пзяг;"::-ческой энергии дифференциальное уравнение

ЭНрСх/<ЗрСх » const (1)

позволяет определить per.hiaj работи отдельных сечений по e>jcoto лепатки.

Проанализировали известные на лнтератури способа учета клияния турбулентного пере.типиванчя на струетуру потока, в основе которых рассматривается либо преобладаете влияние оборотного течения на перенос свойстп потока, лиСо диффузиошпис процсосоз.

'■I ряде известных методов расчета пограничного слоя па огрз-ш:чива»щ1х поверхностях компрессора используется подход Иоллорз и Вуда, учитывающий изменение действующи на лопатку сил. Пс:сг-зана целесообразность сохранения в уравнениях дс:те:пгл членов, прздотавляюяих дополнительные папряаагшш, действуем на огеигет м-дкости наряду с турбулентными касательными иапрягзшю»т. Лэ-пелнитглъные напряжения связаны с нсравнсмернсстьв потока по (тагу мехлопаточного канала и яшшптся одним из источников протеса обмена между ялрои потока и пограничным слоем.

Рассмотрены способы определения границу устойчивой работи компрессора, основанные на линеаризации уравнений движения и использовании полуэьширичесгап: критериев срыва.

Приветны основные положения разработанного ранее в ХАН из-тодэ поверочного расчета течения в компрессоре, з основе которого лежит непельзогяний вариационного условия максимума' 'потока

мгхкшческой анергии, учет елкяния турбулентного перемешивания, потерь и углов отставания потока, плоского торцевого пограничного слоя. Необходимость уточнения и дополнения сукствусшего алгоритма, расширения его возможностей, включая совершенствование тт од га си расчета потерь на различных рекшах, расчет параметров течения в пристеночных областях и границы области устойчивости компрессора, определили задачи диссертационной работы.

Во второй главе описан алгоритм предлагаемого метода расчета течения в ступени к многоступенчатом компрессоре. При схематизации течения в ступени условно разделены процессы подвода анергии' к патоку и турбулентною перемешивания жидкости по высоте канала. Проточная часть представлена последовательностью активных дисков, заменяющих ступени, и мевдискових пространств, где происходит турбулентный обмен импульсом, пол,чей и механической энергией в радиальной направлении^

Расчет течения в ступени состоит кз сл;дующих основных этапов.

1. О пепольеов&шеи соотношений, вытекающих из вариационного условия максимума потека механической энергии, н полученных расчетный путем характеристик зле-ментарных решеток, в сечении за рабочим колесом определяется эпюра осевой скорости по высоте, лопатки. •

2. Оценивается влияние турбулентного перемешивания потока на радиальную структуру течения, вносятся соответствующие поправки в пс "ученные ранее результаты расчета течения в ступени.

3. Вычисляются параметры торцевого пограничного слоя и учитывается его влияние на распределение параметров жидкости по вы. соте лопатки.

Подробно рассмотрены особенности отдельных элементов метода и их езш:\юдсйстьк>э £тл'г с другом. Для учета влияния турСулент-

и

¡¡ого перемешивания на структуру потека используется подход, разработанный ранее г, ХАИ. Под турбулентностью здесь условно понимается совокупность крупномасштабных вихреобразований, сьяэашш с различного рода перетеканиями в ступени и приводящих к пзрзпо-су масс, а вместе о ними и характерных сво/зтв потока, вдоль размаха лопмки. Решатся уравнения, опгсывалдке перенос гглту^са, полной и механической энергии в радиальном направлении.

На основе анализа приведенных в литературных источниках результатов экспериментальных исследований структуры потока в мн-Ъ'лх и обйСданных данных продувок плоских решеток райроботела <<а-толикл расчета потерь по высоте лолатюк При вычислении зг.ачз.исг{ коэффициента профильных пегорь (*.пр) иепояьвуятсл ссот^сзония, з Основе которых летит применение фзктора дкффузорн&стн га;: ¡ф.ито-рия аэродинамической нагрухснности решеток. Результаты рззчзта величины £,пр и угла отстаззяия (б) в завкскносги от числа Ы потока и угла натекания (1) для плоской кечпрессорноЛ рз^зтки в сравнешш с экспериментальными данный Л.II. Буаимовича и Л.К. Святогорова'приведены на рис. 1.

На основе обобщенных зависимостей определяются величины коэффициентов вторичных, концевых потерь, потерь от перетеканий и' области радиального зазора и их распределение по высоте лопаткт. При снижении числа нкгл ¡срнттескаго значения уточнят«я величины профильных потерь и углов отставания Потока. Получено удовлетворительное совпадение с зкеперимент&шгыш даккыш результатов расчета радиальных агар давления тормо.:-л;шя па разхич-ных редимах работы ряда • ккогоступенчатнх компрессоров, си. ■главу 4.

Эпюра осевой скорости за рабочим колесом уточняется в соответствии с принятым представлен!!-?;' с турбулентном леремспзшаши

ю

Аэродинамическая характеристика плоской решетки

зпр 0.015

О

--

\ ----- А/у = 0.7

Л

х—

-4

ОМ

(„/рад -8 -Ц

(-.Град

и

в— / |

1-5 • I /

в— —•' /

В.

град

0,1/ 0.6 0,8 М1 04 0.6 М1

И

• ■

\

-4

С,град

град

—расчет

■, ---эксперимент, —

Рис.!

Распределение осево!? скорости за рабочим колесом ступени С—15

0,9 О,В 0.7 06

с о ч 1 71,-0,38

в \а V \

Сх0*озг} Г N* N. -

ь/х

Л. 4 ] * \

0.1 о,г 0.5 0,4 0,5 0,6 ОТ_ £Хе

о, и &1 * - эксперимент, соотЗетственно 0,38, 0,33 0,32

Рис. г

потока. Рассчитывается параметры торцевого пограничного слоя а учитывается его влияние на течение в ядре потока, сы. главу а.

По распределению осевой скорости за рабочим коле сои (C^) п известным характеристикам сечений вычисляются остальные парш:эг-ры жидкости. В результате осреднения темпер.ттури и давления тор-» моления по высоте лопатки определяются суммарные параметры степени и компрессора. В многоступенчатом компрессоре параметры течения вычисляются в процессе последовательного расчета его ступеней.

Ка этапе доводки компрессоров при условии накопления достаточного объема экспериментальной информации становится позиотам повышение точности вычислений путем идентификации оначений наименее достоверных параметров математической модели по результатам опытных исследований. В данной работе вводятся поправки ?; величине коэффициента профильных потерь (К$) и углов отстапангя потока (Кб). В процессе идентификации минимизируются киадратич-ные отклонения величин степени повышения давления компрессора и КГЩ (Чк*) от соответствуя®:* опытных значений.

При определении границы устойчивой работы изолированной ступени и компрессора используется приближенная модель течения на предсрыЕних рек/мах, в основе которой ле»ат результаты экспериментальных и теоретических исследований, выполненных в ХЛп э предшествующие годы. Предполагается, что отрыв готогл с поверхности профщя наступает при определенном значении фактора зориости. Последовательность приближения реязмоз работа элементарных сечении к границе срыва аасискт от условий на входе в сенек и закона профилировал;« лопаток. Зона отрыва моделируется кольцевой областью с постоянной по окрукности осевой скоростью, рапной 8!!ачениз скорости на режиме отрыва. В процессе дросселя-

розшшя ступени аона отрыва распространяется е радиальном направлении до тех пор, пока срынное движение не охватит всю пло-вддь проходного сечений ьенца, Дальнейаге снижение расхода приводит к нарушения осевой симметрии и возникновению вращающейся вони полного срыва, расширяющейся в окружном направлении по мере унзнешения расхода.

Результаты расчета осевой скорости в изолированной ступени, испытанной ранее в ХАИ, 'показали удовлетворительное совпадение с акгпер5иентом на различных режимах, вк^оочая предерывные, рис.2.

В первых ступенях многоступенчатого компрессора не понижении частотах вращения зьможно демпфирование срызного течения, воаникаящаго рверх по потоку. При оценка взаимовлияния зон полного срыва в соседних ступенях компрессора одномерной постановке получено выражение, связывающее развитие срывного течения вдоль проточной части с вели'угной расхода, геометрией проточно!" части, формой напорных кривых ступеней.

Относительная .погрешность определен™ границы устойчивой работы двух изолированных ступеней и семиступенчатого компрессоре пе превышает 3.42 от суммарного расход:-, и зависит от частот!, вращзиия. • .

В главе 3 диссертации представлен алгоритм методик» расчета параметров пограничного слоя . на ограничивающих поверхности) шялрессора. Рассматривается система осредненных по шагу межло--яш**чмого дакала уравнений движения и неразрывности', опксываодю ехацкоцарлоэ течение вязкой несжимаемой жидкости. Учитываю! „.« йопомктельные напряжения, близ ¡те по структуре к напряжения!. Уейнольдса и оОусловлэькыэ ьаосесимнэтричностью течения. В ход^ ;:^зобррзованни уравнений допускается, что закрутка потока по вы-спз-с погртаичного слоя меняется незначительно, лопатки устаноз-

/

лены пс нормали к торцевой поверхности. Использование полхода теории пограничного слон к оценке величины отдельных членов позволяет -упростить исходную систему уравнений. В результате интегрирования по высоте пограничного слоя уравнения движения и неразрывности получены в следующей форме

¿ (Схв25х " • Н8х ' Gxe-¿f«Dlx- 1)2x4 D3x^CX0CW (0¿Cy) (2)

^(CX0C2G52")+«5x"CX9^f "Diz" (3)

ах ох p p

4 CCoCff-Sx")] - bPfs. (6,*- O ctSOo . J^. (4)

где индексами x.y.z обозначены проекции параметров на оси декартовой системы координат (соответственно осевое, радиальное, окружное направления); е,о - значения параметров на границе пограничного слоя и торцевой стенке; 5,5",5** - толсданы пограничного сдоя, вытеснения, потери импульса; t - касательное напряжение, F - ','yH¡cmH эхекцин, представляющая безразмерную скорость подмешивания жидкости в области перехода основного потока в пограничный слой.

Уравнение неразрывности связывает увеличение толщины пограничного слоя с изменением скорости основного потока, нагрузкой на лопатку, интенсивностью вторичного 'течения и тем количествен гвд-костй, которое увлекается из ядра потгаса в пограничный слой то мерз движения рабочей среды вдоль проточной части. .

Члены Dix, D2x (чли дефекты силы), является интегральной разностью мезду снлшли, действующими на топатку внутри и на границе ьиграличксго слоя. П^х. doz, представляют напрял , обусловленные пгравнсмзргим характере*! распределения пр екщз! скорости по snry. х по влиянию ьа течение аналогично изменения осевого .'рздиента давления по высоте пограюпного слоя. На-.ряхеьия

Е(Сх!Су')в-(гху)0]. I(Cz'Cy' )Q-(t2y)e] характеризуют обмен импульсом между ядром потока и внешней частью пограничного слоя при движении среды по тракту компрессора.

Для замыкания системы уравнений (2,3,4) используются известные из литературы соотношения, полученные на основе обобщения экспериментальной информации. Значение коэффициента трения вычисляется по формуле Людвига- Тилмана, скорость элекции - по соотношению Хэда. При определении величин Diх, Di2 допускается, что дейстьукэде на лопатку силы направлены по нормали к скорости потока та граница пограничного сдоя, то ость выполняется условие CxÜik+C2üi2=0. Члены уравнения (3) уыножияся на ctgOo и складываются с членаыи уравнения (2), что позволяет исключить величины Dix, Diz «о дальнейшего анализа. Согласно дглним зксперименталь-ных исследований Изх-D2x~Dazctga9"0• Пудъсационные члены определяются изменением импульса в ядре потока вследствие турбулентного перемешивания по высоте лопатки в сечениях на Бходе и выходе из венца.

Использование аналитических профилей скорости по высоте пограничного слоя (степенного в направлении скорости основного потока и профиля Хорлока - по нормали к С„) позволяет связать величины ôx", б2 ', бхн", S2**, С>;, С2 с интенсивностью вторичного движения. Учтено влияние перетеканиг в области радиального зазора на распредели: ;:е скорости по высоте пограничного слоя.

Урав' нкя двихения и неразрывности интегрируются в осевом направлении и решается с использованием итерационной процедуры. После определения толщины пограничного слоя вычисляются величины скорости, поворота noToiîa, температуры и давления торможения.

Приведенное па рис.3 сравнение с опытными данными результатов расчета эпгр продольной к поперечной скоростей в сечениях на ?хгяс " y¡-epc.iHj ■ н&г;<у-оп*1.-,й п*озкэй {осетки п;:казахс

!• ■. г- rov-ii', tc'wi.. ! ;т\.

Роспреявление проекция скорости по высоте пограничктго слоя

Ч 06

о.ч о.г о

а 1

.—-— /1

У

1

0 о \

о\ о

1

1/

У V

о-эксперинент -Рис. 3

■3&

-расчет

0,6 08 и°/со~°Л 0 ^ 0,6 48 и3/с

зе

Характеристика компрессора

55? Мл

38

Ъ.Ч

Л \ \

Ч 1 \ ^ П*0,95 \ * 1

/ ч 1-0,9 .

п 0.8 П~0,85

23 26 29 32 С, *гг/с

--эксперимент,----расчет(Кг =/)---расчет (У, Уа г)

P4C.it '

/£>

В глазе 4 приставлены результаты численного анализа течения в шести многоступенчатых компрессорах и моделях отдельных блоков ступеней. Зю шести-« семиступенчатые компрессоры (К1 и К2) сов-рзменних, авиационных ГТД, три компрессора стационарных ГТУ -П3-115, ГТЭ-115М, РТЗ-45, имеющие соответственно 16, 18, 16 ступеней, блок первых шести ступеней компрессора К-4950, применяемого в ыетаялу ргше ском производстве.

В ходе расчетов проверялась работоспособность метода на этапах • рсггктирования и доводки изделий, существенно отличающихся по конструкции и области'использования; анализировались условия обтзкания и погруженность венгав в различных сечениях по высоте лопатки, согласование работы ступеней на различных регамах; рассматривалась возможность расширения облссти устойчивой работы компрессоров, повышения их налорности и суммарного расхода за счет модернизации проточной части. Также с использованием идентификации поправочных коэффициентов по результатам опытных исследований расчетным путей определялись величины тех параметров потока, информация о которых не была получена в эксперименте, но необходима при доводке изделий.

Точность опр' деления суммарных хар ктеристик оценивалась путем сопоставлении опытных данных и результатов расчета двух компрессоров авиационных двигателей на 44 рекиыах работы без уточнения значений поправочных коэффициентов.

Статистический анализ полученных результатов показал, что с доверительной вероятностью 0.05 относительная погрешность расчета величины степени повышения давления укладывается в диапазон 2.1+4.8%, КПД 1.4+2.77,. Осреднениая по высоте лопатки погрешность определения формы радиальных эпюр давления торможения за колесами компрессора К2 не превышает 4.ОХ, температуры 1.52.

На рис.4 ¡; сравнении с опедс-м приюлекя характеристика компрессора К1. о.у.учсиг»ая в гисчетах с ».'£>$

ентсв Кг,, Кб, и после их корректировки на реттаах максимума КПД на различных частотах вращения. Уточнение значений коэффициентов по данным экспериментов даже в одной точке на ветви характеристики позволило повысить точность вычислений.

На рис.5 на режиме, близкой к границе устойчивой работы, при п«0.94 в сравнении с опытом приведет эпюры давления и температуры тормс?;ения за рабочими колесами компрессора Кй.

На рис.б показано изменение по радиусу осевой скорости за направляющим! аппаратами первсй, второй, четвертой ступеней модели компрессора К-4950 на режиме близком к расчетному. Тадае получено удовлетворительное совпадение с опытными данными элюр полного давления за шестым направляющим аппаратом, распределения статического давления на корпусе вдоль проточной части. Максимальная погрешность расчета величины статического давления составила 77. в сечении за последней ступенью.

Результаты расчета радиальных эпюр параметров и характеристик моделей отдельных блоков компрессоров ГТЭ-Н5, ГТЭ-45'пока-вали удовлетворительное совпадение с данными экспериментов, что дало основание для использования программного комплекса при расчете полноразмерных.компрессоров.

При численном исследовании течения в компрессорах ГТЭ-115, ГТЭ-115М, ГТЗ-45 определялись суммарные характеристики, условия обтекания и аэродинамическая кагругенность венцов в различных сечениях но радиусу, выявлялись ступени, инициирующие возшшо-вение неустой' вого течения в компрессорах.

На основе анализа характеристик, структуры потока, обтекания лопаточных венцов на расчетном и предсрьшном реж-.олаХ' осуществлялся поиск рациональных вариантов изменения углов установ-си направляюсь аппаратов, позволяющий расширить .область у сто к-глзой работ компресссрог повысить суммарный расход. Лопаткл юворачивалисъ та.сим образом, чтсбы сместить характеристики в

Распределение параметров потока па рабочими колеса"?! ' компрессора

- ------------ - — V 1 S ^ X

> \ j J >

1 OI / -

/

Q38 0,38 034

038 036 034

i,s г,о is jo w p*-io~sft

с ( f /о ~7~

с 1 ! ( o \ o 1 \ с 0 \ \ o

j \ V 4 0

V j

320 ¿W 360 380 ¿tOO 420 ¥/0 '<GO T- * К

о-эксперикеит, —--расчет с '

Рис. s

Распределение oceuoi' скорости за на.прлрлягсндау;! глгпярота'.'к ко'-'лсэссога

n2¿

■ Qf3

1H/\

\ O

\o

\o

-----

r, 'V

o ______^ lo 2 HA

\ °

\ ^

\ °

^ m

ьи

>¿C Ci, HjC

СО Г :■..'••

P-,.

сторону больгегс расхода, а тг5кг.:е снизить катрутешгость тс:: рабочих колес, в которых, ранее чем в других., возникает срывнсе течение. Эффективность того или иного решения оценивалась сравнением характеристик исходного и модернизированного вариантов на различных частотах вращения. Ь синодах по материалам диссертации представлены численные значении увеличения расхода и расширения области устойчивой работы различных компрессоров при сохранении величины степени повьшюния давлении КПД исходных вариантов изделий. Для иллюстрации на рис.7 пасазана характеристика ГТЭ-45 с исходной и модернизированной проточными чаетш,¡и.

ВЫВОДЫ

В работе получены следующие основные результаты.

1. Разработан усовершенствованный вариант метода расчета двумерного дозвукового течения в многоступенчато» осевом компрессоре, позволяющий определять радиальное распределение параметров среды в сечениях за вениами во всем диапазоне рабочих ренинов компрессора, рассчитывать суммарные характеристики, прогнозировать влияние изменения геометрии проточной части на величину параметров потока.

Особенностью усовершенствованного варианта метода является использование вариационного условия максимума потока механической энергии, учет турбулентного перемешивания гладкости по высоте проточной части, потерь полного давления, углов отстаяения потока, загромождения проточной части пограничными слоями, возмод-ность численного определения границы устойчивой работы компрессора.

2. Разработанные и апр'обиронанныг в процессе совершенствования метода новые структурные элементы могут бит» использованы как в составе метода, так и иметь самостоятельное приложение. К их числу относятся:

- методика расчета папаметрса пограничного слоя на Гграничи-

Характеристике компрессора

■V *<

ом ом

П "Q9S

240 260 280 МО 3¿0t QtKr/c

--исходный ¿ариант,

---Модифицированный бариант

Рис. 7

ваших поверхностях многоступенчатого компрессора, учитывающая изменение дейстп-юпшх на лопетки сил по высоте пограничного слоя, процесс обмана меэду ядром потиса и пограничным слоем;

- методика определения потерь полного давления по высоте лопатки, базирующаяся на анализе опубликованных данных о структуре течения в ранцах компрессорной ступени;

- методигл определения границы устойчивой работы ступени и многоступенчатого компрессора, основанная на использовании полу-эмпирическиго критерия отрыва потека, вариационного условия максимума потока механической энергии;

- методика упрощенной идентификации значений поправочных коэффициентов по результатам экспериментальных исследований, направленная на повышение точности вычислений на этапе доводи! компрессоров.

3. Разработан и отдален комплекс программ расчета течения в многоступенчатом компрессоре. Время расчета параметров ыестисту-пенчатого компрессора составляет 1.1мнн. на ЭВМ типа РС-АТ386-ОХ/33.

4. Оценена достоверность результатов расчета путем сопоставления с данными экспериментального исследовании течения в шести многоступенчатых компрессорах на различных режимах. Статистич ;с-гай ачалнз точности определения суммарных параметров дгух »таи ресссрсз авиационных ГТД на «14 редкмах показан, что с <;0вери тельной вероятности" 0.85 относительная яогре'йюсть расчета якн составляет 2.1»4.вг, Ик" 1.4*2.72.

5. Получены харзтаеркстпка н радиалънкэ распределения параметров потока за венцами вновь сщюектярсваннц,*- ксмпрессороь стационарных ГТУ: ГТЭ-115, ГТЭ-11Я5. Г7Э-45. Предложены Варианты изменения углов установки лоттаток «зИрзвякюзтх зппаратоь; -позволяющие, в соответствии с расчетоу, пра г^р-1.0 увеличить -запасы устойчивой работы машн соответственно на 3.12. 7.0'. З.3£. по-

еысить расход на родимо максимального КПД для ГТЭ-115М и ГТЭ-45 на 4.17., 5.31 при сохранении заданных значений и tik*.

6. Метод расчета,: комплекс программ и результаты расчетного исследования структуры течения в компрессорах исполъзуютсл в практике проектирования Запородского машиностроительного КБ "Прогресс",-Харьковского НПО "Турбоатом", Запорохского предприятия "Мотор С1ч".

Результаты исследования могут быть применимы на предприятиях, занимающихся проектированием газотурбинных двигателей и стационарных ГТУ.

СПИССЙ РАБОТ ПО ТЕШ ДИССЕРТАЦИИ

1. Бойко Л.Г., Ершов В.Н., Яневич В.Н. Оценка работоспособное модели многоступенчатого компрессора //Газовая динамика двигателе и их элементов: Темат. сб. научи, тр.-Харьков.-1937. -N2.-C.65-71

2. Бойко Л.Г., Ерлов В.Н., Гирич Г.Д., Яневич В.Н..Метод расчет двумерного течения в многоступенчатом осевом компрессоре //Изв. вузов. Машиностроение.-1989.-N5.- С.56-60.

3. Бойко Л.Г., ЕриовВ.Н., Гирич Г. Д., Яневич В.Н. Результат практического использования двумерного метода расчета течения в компрессоре '/Изв. вузов. -Машиностроение. -1939. -fr/. - С. 72-75.

4. Герасименко Б.П., Яневич В.Н. Определение границы устойчивс работы ступени осевого компрессора //Энергетнч. машиностр.-190< -N47.-С.21-23.

5.Бойко Л.Г., Ершов В.Н., Яневич В.Н. Использование математической модели многоступенчатого компрессора для расчета течений < радиально - неравномерными условиями на входе //Знергетич. маши hoctp.-1986.-N41.tC.9-14.

6. Ершов В.Н.. Бойко Л.Г., Яневич в.Н. Применение лвуыерной ма

тематической модели к расчету течения в многоступенчатом осево

Компрессоре //Натвматичаскбв моделир<?<з.";г,;'£ »зоц-тсесе 'тягутруга

экС'Тгетйч'с.:кл£ v тре'Лг:с;гч-.»ч ШГ,Т^рб'нннР*- ¡-/ОЫуайСМх -¡ом ■

автоматизированного проектирования: Тез.докл.респ. »со:??.-Готвальд, 1968.-0.167-168.

7. .Ервоз В.П., Boftiío Л.Г., Янович B.II. Комплекс программ расчета течения в многоступенчатом осевом компресссрз //Первый Всесоюзный научаю - практический семинар по автоматизации пнкенерного труда: Тез. докл.- Харьков,1990.-С.239-241.

8. Брияв ь.Н., Есйко Л.Г., яневич В.!!. Комплекс программ для расчета двугерпого течения в многоступенчатой осевом компрессоре //Девятая «елдупародная научно - тохш;чее!сая ¡сонферлчция по компрсссорострсенно: Тез. докл.-Казань,1933.-С.70-71.

9. Ериов B.II., Бопг.о Л.Г. , Янович В.II. Метод расчета двумерного ооесимметрпчного течения в многоступенчатом осевом компрессоре //Совершенствование энергетических и транспортных турбоус'гано?,ок методами математического моделирования, вычислительного и фнзи-•-'зского эксперимента: Тез. докл.- Змиез,1994.-С,18.

АННОТАЦИЯ

Яневич В. II. Расчетно - теоретическое исследование двумерного течения в многоступенчатых осевых компрессорах. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.07.05 - тепловые двигатели летательных аппаратов. Харьковский авиационный институт им. U.E. Чуковского. 1G95.

. Разработан метод расчета двумгркого течения в проточной части многоступенчатого компрессора, в котором учтено влияние туг булентного перемеииьания потока. потерь полного давление и торцевого пограничного слоя па структуру течешь;. Представлены результаты расчетов суммарных харшггеристик и радиальных эпюр параметров потока в сравнении с экспериментом в шести мнсгоетупен-чатых компрессорах. Оиркена точность полученных результатов. Предлог ны варианты ивменения углов установки направляю»/«;аппаратов ряда компрессоров стационарных. ГТУ, позволяющие расширить область устойчивой работы и повысить суммарной расход.

ABSTRACT

Yanevlch V.N. The prediction of ED flow in the multistage axial compressors. Thesis, I'or an academic decree of a candidate of technical sciences of the speciality 05.0?.05 - aircraft heat-engines. Kharkov aviation institute, 1995.

The method of calculation 2D flow In the multistage compressor countod turbulent mixing, pressure losses and end-wall boundary layer influence on the flow radial structure Is proposed. The flow pei fopance and radial flow parameters distribution, received by calculation, are compared with the -esults of experimental investigations of six multlstaa© axial compressors. Accuracy of obtained results Is eveluted. To extend the stability region and increase the flow rate several variants of guide blade stagger angles of stationary gas-turbine compressors are proposed.

КЛШГВЫЕ СЛОВА

Многоступенчатый компрессор, торцевой пограничный елой, турбулентное перемешивание потока, потери полного давления.