автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Разработка критериального метода расчета профильных потерь в турбинных решетках

На правах рукописи

Мухина Светлана Дмитриевна

РАЗРАБОТКА КРИТЕРИАЛЬНОГО МЕТОДА РАСЧЕТА ПРОФИЛЬНЫХ ПОТЕРЬ В ТУРБИННЫХ РЕШЕТКАХ

Специальность 05.07.05 - Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Рыбинск-2006

Работа выполнена в Рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П.А. Соловьева

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

засл. деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Пиралишвили Шота Александрович

доктор технических наук Мамаев Борис Иванович

кандидат технических наук, Крылов Борис Анатольевич

доцент

Ведущая организация

ФГУП «Завод им. В.Я. Климова» г. Санкт-Петербург

Защита состоится 28 июня 2006 года в 10— часов на заседании диссертационного совета Д212.210.01 в Рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П.А. Соловьева по адресу: 152943, г. Рыбинск, Ярославская область, ул. Пушкина, 53.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П.А. Соловьева

Автореферат разослан «£6» диыс^ 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Конюхов Б.М.

шгя 3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность.

КПД турбины во многом определяется газодинамической эффективностью ее проточной части. Анализ конструкций высоконагруженных охлаждаемых турбин показывает, что в большинстве случаев основным резервом повышения их КПД является оптимизация лопаточных аппаратов. Сжатые сроки проектирования и доводки турбин обусловливают необходимость автоматизации процесса профилирования лопаточных аппаратов, которая требует пересмотра подходов к процессу профилирования, с целью формализации оценки газодинамической эффективности профиля.

Достоверную информацию о газодинамической эффективности каждого из полученных сечений лопатки может дать либо эксперимент, либо трехмерный анализ вязкого течения газа в турбине. Однако экспериментальные исследования невозможны без привлечения значительных средств и времени, а численные методы расчета вязкого течения требуют в каждом отдельном случае тестирования на сходных задачах, адаптации расчетной сетки, выбора адекватной модели турбулентности. Применение таких масштабных исследований в итерационном процессе профилирования, когда рассматриваются сотни вариантов, нерационально. Поэтому на практике стремятся использовать более простые регрессионные зависимости. Однако они часто имеют ограниченную область применения (как по геометрическим, так и по режимным параметрам), что не удовлетворяет требованиям профилирования, когда приходится рассматривать самые разнообразные варианты профилей. По этой причине для оценки газодинамической эффективности профиля в процессе профилирования дополнительно привлекают качественные методы, например, анализ оптимальности распределения скорости вдоль профиля лопатки, получаемого на базе быстродействующего расчета течения невязкого газа в межлопаточном канале. Вследствие этого процесс профилирования приобретает субъективный характер, требуя непосредственного участия в нем проектировщика. Результат профилирования во многом становится зависимым от квалификации проектировщика, поскольку решение о выборе оптимального профиля он принимает на основе личного опыта. Эффективность методики профилирования может быть существенно повышена, если оценку газодинамического совершенства профиля проводить адекватным количественным методом, реализованным в форме программного обеспечения, позволяющего производить расчет профильных потерь за время порядка 1 минуты и имеющим возможность сопряжения с программным комплексом оптимизации в качестве модуля для расчета Функции отклика.

РОС. НАЦИОНАЛЬНА)! БИБЛИОТЕКА С.-Петербург ОЭ 200

Цель и задачи работы.

Разработать быстродействующий количественный метод оценки газодинамической эффективности профиля, использующий для анализа параметры потока в межлопаточном канале. Реализовать метод в форме программного комплекса с возможностью его использования в процессе профилирования.

Направление исследований.

Для достижения этой цели необходимо:

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

- на базе разработанных критериев получить критериальное уравнение для определения профильных потерь;

- реализовать разработанный метод расчета профильных потерь в форме пакета программ и провести его апробацию в области экспериментально исследованных решеток Атласа профилей, а также для профилей перспективных лопаток;

провести экспериментальное исследование плоских решеток перспективных профилей для проверки разработанного метода расчета;

- интегрировать разработанный метод в состав программного комплекса профилирования с блоком программной оптимизации.

Методы исследования.

Для решения поставленных задач использованы: численные методы высшей математики, методы теории подобия и размерностей, методы статистического анализа, экспериментальные исследования на газодинамическом стенде для плоских решеток турбины.

Достоверность и обоснованность.

Достоверность и обоснованность научных результатов базируется на корректном применении основных законов сохранения, подтверждается результатами сравнения полученных данных с известными расчетными и экспериментальными данными. Достоверность опытных данных обеспечивается адекватным выбором методики проведения эксперимента, применением оборудования и установок, прошедших метрологическую аттестацию.

На защиту выносятся:

- разработанные критерии газодинамической эффективности течения;

- формула для расчета профильных потерь;

- методика и алгоритмы программного комплекса расчета профильных потерь по критериальному методу.

Научная новизна.

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

Практическая полезность.

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

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

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

Апробация работы.

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

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

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

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

- первая и вторая научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности», Москва: ОАО «ОКБ Сухого», 2002 г., 2004 г.;

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

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

Публикации.

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

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ведении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются задачи исследований, отмечается научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

Глава 1 содержит обзор методов профилирования лопаток, на базе которого сформулированы основные требования к способам инженерной оценки газодинамической эффективности профиля в процессе профилирования. Также проведен анализ подходов к оценке газодинамической эффективности течения в межлопаточных каналах турбинных решеток (рис. 1) Анализ базируется на результатах теоретических и экспериментальных исследований, которые внесли наиболее значимый вклад в развитие газовой динамики решеток профилей. Таких, как работы Г.Ю. Степанова, В.Х. Абианца, М.Е. Дейча, В.И. Локая, М.Х. Мухтарова, В.Д. Бенедиктова, Б.И. Мамаева, E.H. Богомолова, Б.А. Крылова, Ю.Р. Миронова, а также публикации специалистов ЦИАМ, МЭИ, ЦАГИ, ОАО СНТК им. Н.Д. Кузнецова и др.

Рис. 1. Классификация способов оценки газодинамической эффективности

профиля

Показана необходимость адекватного быстродействующего количественного метода оценки газодинамической эффективности течения в межлопаточном канале, обладающего широкой областью применения как по геометрическим, так и по режимным параметрам решетки профилей.

Глава 2 содержит обоснование критериального метода расчета профильных потерь и разработку критериев газодинамической эффективности течения на базе теории подобия и анализа размерностей.

Анализ полей скорости, рассчитанных для решеток с различными геометрическими и режимными параметрами и известным уровнем потерь, позволил выявить особенности структуры потока, порождающие потери, такие, как: смешение потоков с различными скоростями на сходе с лопатки, диффузорные участки течения, их количество и интенсивность торможения потока в каждом из них, геометрические размеры диффузорных участков (зон торможения) и их расположение в канале, расположение изолинии Х2т, равномерность разгона потока вдоль канала, скачки уплотнения. На базе теории подобия и анализа размерностей получена серия критериев газодинамической эффективности течения, которые характеризуют особенности структуры потока, связанные с уровнем потерь в межлопаточном канале.

Среди них критерии, которые оценивают особенности структуры потока в характерных участках канала. такие, как перерасширение потока на спинке:

^ _ ^тах.к.с. ~

Кш.

а также критерии, оценивающие особенности структуры потока в зонах торможения. к примеру, эффективный градиент скорости потока в зоне торможения:

§ = ^шах ~ ^шм

Он характеризует интенсивность изменения величины X по координате в каждой зоне торможения (рис. 2).

зона торможения

Рис. 2. Зависимость X от криволинейной координаты

Кроме того, разработана группа критериев, оценивающих стурктуру течения вдоль линий тока, полученных делением потока на 10 равных по расходу частей. Один из них - критерий оптимальности разгона потока. С точки зрения газодинамической эффективности, оптимальным принимается равномерный разгон потока. Названный критерий позволяет оценить отклонение реального увеличения скорости в канале (кривая АБСТС на рис. 3) от оптимального (прямая АС) на каждой линии тока. Он представляет собой

отношение площади фигуры, ограниченной этими линиями, к площади

р

треугольника под линией АС: Кр=_^. Здесь площадь Рд| вычисляется суммированием площадей элементарных трапеций (например, ЕЕЮР на рис. 3). Я-г

^■к+1

А

S0 Sk Sk+1 Sr

Рис. 3. К расчету критерия оптимальности разгона потока. Графики равномерного и неравномерного увеличения X вдоль канала

Для обобщения информации о потоке проведено осреднение значения рассчитанных критериев по полю течения.

Для расчета поля скорости в канале использован широко применяемый в инженерной практике метод расчета течения невязкого нетеплопроводного газа с заданным показателем адиабаты через плоскую решетку профилей. Для расчета критериев разработана программа на языке FORTRAN. Также критериальный метод может быть адаптирован к любому другому доступному методу расчета параметров течения.

В главе 3 изложены результаты обобщения имеющихся обширных экспериментальных данных, с использованием в качестве определяющих параметров критериев газодинамической эффективности течения с целью получить уравнение для расчета профильных потерь. Базой для статистического анализа являлись решетки «Атласа экспериментальных характеристик плоских решеток охлаждаемых газовых турбин» ЦИАМ. Были

отобраны 44 варианта решеток, наиболее различающиеся по геометрическим параметрам. Для отобранных профилей были вычислены критерии газодинамической эффективности течения на экспериментально исследованных режимах обтекания в диапазоне изменения Х2ад — 0,6 ... 1,4 , угла атаки 1 = -35°...+30°. В итоге обобщение проводилось по 828 вариантам обтекания различных решеток.

Средствами регрессионного анализа получено критериальное уравнение вида:

9

м

где £проф - значение профильных потерь; а0 - свободный член уравнения регрессии; I = 1, ... п - число разработанных критериев; а1 - коэффициенты уравнения регрессии; - обозначение мгого критерия газодинамической эффективности потока.

0,18 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0.16

^ркя

Рис. 4. Сравнение экспериментальных значений профильных потерь и их расчетных значений, полученных критериальным методом

о и О /

о о _ & У %

& осдсво у> 7О ¿0

о<± >

¡¡ЖоЗЯ ВВР е 5 дО ' 8

& Кдао е° >

о 8

А

Коэффициент корреляции полученного уравнения Я = 0,86. Дополнительные исследования показали слабую коррелированность подавляющего числа критериев друг с другом, что говорит об их независимости.

Проиллюстрировать сравнение расчетных и экспериментальных значений профильных потерь можно при помощи графика на рисунке 4. Для большинства решеток отклонение расчетного уровня потерь от экспериментальных данных не превышало ± 1,5 % при изменении величины потерь от 0,02 до 0,16, что свидетельствует о достаточно хорошей точности прогноза.

Рис. 5. Сопоставление результатов расчета дополнительных профильных потерь (от угла атаки) с экспериментом:

1 - расчет по критериальному методу; 2 - расчет по методу Локая;

3 - расчет по методу М.Х. Мухтарова; 4 - эксперимент

В ходе апробации предлагаемого метода в процессе профилирования на ОАО «НПО «Сатурн» выяснилось, что он обладает рядом преимуществ перед другими методами (численными и полуэмпирическими), которые позволяют предпочесть его для применения в итерационном процессе профилирования.

По сравнению с численными методами расчета течения вязкого газа в канале критериальный метод характеризуется на порядок меньшими требованиями к памяти ПК и на порядок меньшим временем расчета при сопоставимой точности (время расчета меньше минуты). Кроме того, результат расчета по критериальному методу, в отличие от численных методов, не зависит от принимаемой модели турбулентности и вида используемой сетки. По сравнению с трехпараметрическими регрессионными моделями

критериальный метод обладает большей точностью при изменении угла атаки (рис. 5). По сравнению с многопараметрической моделью ЦИАМ, которая не дает возможности прогнозировать потери при ненулевом угле атаки, критериальный метод при приблизительно одинаковой точности с регрессионной моделью ЦИАМ (рис. 6) дает возможность определять профильные потери при различных углах атаки.

Рис. 6. Сопоставление расчета и эксперимента для типичных решеток СА и РК по критериальному методу и методу ЦИАМ [23]: а) решетка № 69 Атласа (сопловая решетка); б) решетка № 133 Атласа (рабочая решетка); 1 - эксперимент; 2 - расчет по критериальному методу; 3 - расчет по регрессионной зависимости ЦИАМ

В настоящий момент в КО Турбин ОАО «НПО «Сатурн» для сокращения сроков профилирования и обеспечения минимальных финансовых затрат на доработку турбины проводится внедрение комплексной методики профилирования с использованием программных средств оптимизации.

В случае разработки профиля без применения программных средств оптимизации оценку аэродинамического качества полученного профиля и решение о выборе окончательного варианта (или об изменении тех или иных параметров) производит инженер (визуальным анализом расчетного распределения скорости вдоль профиля лопатки). При этом он руководствуется общепринятыми представлениями о «хорошем» распределении скорости вдоль профиля лопатки (плавный разгон потока вдоль профиля, отсутствие зон торможения на спинке и др.) и действует на основании личного опыта. Такое профилирование предварительного варианта лопатки занимает обычно 1 - 2 дня. Оптимизация профиля лопатки, производимая с использованием программных средств, где для расчета целевой функции - профильных потерь -применяется быстродействующий критериальный метод, позволяет сократить время профилирования до нескольких часов.

Глава 4 посвящена экспериментальным исследованиям плоской решетки соплового аппарата перспективной турбины ОАО «НПО «Сатурн» на трансзвуковых режимах течения.

Рис. 7. Схема экспериментальной установки: 1 - ресивер; 2 - координатное устройство; 3 - пакет лопаток; 4 - механизм траверсирования; 5, 6, 7, 8 - выходные патрубки;

9 - патрубок подвода воздуха от компрессора

Экспериментальная установка представляет собой аэродинамическую трубу, работающую на наддув с последующим выбросом воздуха в атмосферу (рис. 7). Испытания проводились на холодном воздухе в пределах чисел Яе= (1,3...2,4)'Ю6, М = 0,8862... 1,2461, что дает возможность переносить результаты исследования пакета СА на натурный объект.

£проф

0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03

■ 1 •

1 • 1

• / ^г * I 1

1

1

1 -1_— —— 1

0,9 0,95 1 1,05 1,1 1,15 1,2 1,25 1,3

Рис. 8. Экспериментальные и расчетные значения профильных потерь для исследованной решетки (точки - эксперимент, треугольники - расчет по критериальному методу)

Исходные дани Геометрические и р< реш ыс для расчета: ¡хсимные параметры *ток

1. Расчет поля скорости в канале

2. Расчет критериев газодинамической эффективности течения

3. Расчет профильных потерь в межлопаточном канале по предложенному уравнению регрессии >

Рис. 9. Блок-схема разработанного программного комплекса для расчета профильных потерь по предлагаемому методу.

По результатам траверсирования потока за решеткой рассчитаны значения профильных потерь (рис. 8). Видно, что с увеличением Хгш значение потерь постепенно увеличивается. Полученное распределение (Х2ад) согласуется с результатами анализа распределения скорости по поверхности лопаток.

Произведенное сравнение экспериментального значения потерь с расчетной кривой, полученной по критериальному методу, показало хорошее совпадение как на дозвуковых, так и на сверхзвуковых режимах течения. Это подтверждает хорошую точность прогноза потерь в решетках перспективных профилей.

В главе 5 проведено обобщение изложенного в работе материала в виде предлагаемой методики расчета профильных потерь в межлопаточном канале турбинных решеток (рис. 9).

Основные результаты работы и выводы.

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

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

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

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

5. В лабораторных условиях ОАО «НПО «Сатурн» проведены тестовые экспериментальные исследования лопаточной решетки перспективной турбины в диапазоне М = 0,9.. .1,3. Сопоставление полученных экспериментальных данных с результатами расчета по критериальному методу показало погрешность расчета 5 ... 9 % от измеряемой величины.

Основные публикации по работе.

1 Толпина, С. Д. Оценка газодинамического совершенства турбинной решетки по характеристикам потока в межлопаточном канале [Текст] / С. Д. Толпина // Труды второй российской национальной конференции по теплообмену: сб. трудов. - Москва: МЭИ, 1998. - С. 46-47.

2 Толпина, С. Д. Определение газодинамических потерь в межлопаточных каналах на основе анализа течения в канале [Текст] / С. Д. Толпина // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: сб. трудов ХП Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И.Леонтьева. - Москва: МЭИ, 1999. - С. 113-116.

3 Миронов, Ю. Р. О новом методе расчета профильных потерь и о пакете программ, создаваемом на его основе [Текст] / Ю. Р. Миронов, С. Д. Толпина // Теплофизика процессов горения и охрана окружающей среды: тезисы докладов 4-й Всероссийской научно-технической конференции. - Москва: УНЦП «Энергомаш», 1999. - С. 36-37.

4 Миронов, Ю. Р. Разработка метода расчета профильных потерь в плоских турбинных решетках [Текст] / Ю. Р. Миронов, С. Д. Мухина //Проблемы исследований и разработок по созданию силовых и энергетических установок XXI века: тезисы докладов Всероссийской конференции молодых ученых. - Москва: ЦИАМ, 2000. - С. 171-172.

5 Мухина, С. Д. Теоретическое и экспериментальное исследование профильных потерь в турбинных решетках [Текст] / С. Д. Мухина, Ю. Р. Миронов // Физические основы экспериментального и математического моделирования процессов газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: сб. трудов. - Москва: МЭИ, 2001. - С. 55 -59.

6 Миронов, Ю. Р. Критериальный метод определения профильных потерь [Текст] / Ю. Р. Миронов, С. Д. Мухина, Ш. А. Пиралишвили // Теплофизика процессов горения и охраны окружающей среды: сб. тезисов докладов 5-й Всероссийской конференции. - Рыбинск: РГАТА, 2001. - С. 4748.

7 Миронов, Ю. Р. К вопросу газовой динамики межлопаточных каналов решеток турбомашин [Текст] / Ю. Р. Миронов, С. Д. Мухина, Ш. А. Пиралишвили // Современные проблемы аэрокосмической науки и техники: сб. трудов II Международной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов. - Жуковский: ЦАГИ, 2002. - С. 139-140.

8 Мухина, С. Д. Сравнительный анализ некоторых обобщающих зависимостей для расчета профильных потерь при проектировании газовых турбин [Текст] / С. Д. Мухина, Ю. Р. Миронов, Ш. А. Пиралишвили // Новые технологические процессы и надежность ГТД : научно-технический сборник ЦИАМ - Москва: ЦИАМ, 2003. - Вып.5 - С. 169-180.

ЛООбД

«11 4328

9 Мухина, С. Д. Исследование газодинамики решеток турбомашин [Текст] / С. Д. Мухина // Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности: Авторефераты докладов участников научно-практической конференции молодых ученых и специалистов. - Москва: ОАО «ОКБ Сухого», 2002. - С. 121-124.

10 Мухина, С. Д. Применение критериального метода расчета профильных потерь в турбинных решетках с различными геометрическими и режимными параметрами [Текст] / С. Д. Мухина, Ю. Р. Миронов, Ш. А. Пиралишвили // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: сборник трудов XIV Школы-семинара молодых ученых и у специалистов под руководством академика РАН А.И.Леонтьева - Москва:

МЭИ, 2003.-С. 118-121.

11 Мухина, С. Д. Перспективная методика профилирования сечений лопаток турбомашин [Текст] / С. Д. Мухина, А. А.Степанов, Р. В. Храмин // Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности: статьи и материалы второй научно-практической конференции молодых ученых и специалистов - Москва: МАИ, 2004. - С. 120-125.

12 Мухина, С. Д. Опыт и перспективы применения критериев газодинамической эффективности течения в практике проектирования проточной части газовых турбин [Текст] / С. Д. Мухина, С. М. Пиотух, Ш. А. Пиралишвили // Справочник. Инженерный журнал. - 2005. - № 5 - С. 16-20. '

13 Мухина, С. Д. Использование критериального метода оценки аэродинамической эффективности профилей при проектировании газовых турбин [Текст] / С. Д. Мухина, Ш. А. Пиралишвили // Проблемы создания перспективных авиационных двигателей: сборник трудов Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов // Москва: , ЦИАМ, 2005.-С. 123-125. Г

Зав. РИО М. А. Салкова Подписано в печать 25.05.2006 г. Формат 60x84 1/16. Уч.-изд.л. 1,0. Тираж 100. Заказ 46.

Рыбинская государственная авиационная технологическая академия им. П.А Соловьева (РГАТА)

Адрес редакции: 152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53 Отпечатано в множительной лаборатории РГАТА 152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53

t Список условных обозначений. ф Введение.

Глава 1. Состояние вопроса и постановка задач исследования.

1.1 Методы профилирования поперечных сечений лопаток.

1.2 Способы оценки газодинамической эффективности решетки л профилей.

1.2.1 Количественные способы оценки газодинамической эффективности решетки профилей.

1.2.2 Качественные способы оценки газодинамической ф эффективности решетки профилей.

1.3 Уровень автоматизации процесса профилирования.

Выводы по главе и постановка задач исследований.

Глава 2. Разработка критериев газодинамической эффективности течения в межлопаточном канале турбинной решетки.

2.1 Обоснование критериального метода.

2.2 Разработка критериев газодинамической эффективности течения.

2.3 Расчет критериев на базе поля скорости в межлопаточном ® канале.

Выводы по главе.

Глава 3. Обобщение экспериментальных данных по профильным потерям в решетках осевых газовых турбин с использованием критериев газодинамической эффективности течения.

Л 3.1 Подход к обобщению экспериментальных данных.

3.2 Создание базы данных.

3.3 Статистическая обработка.

3.4 Апробация метода, анализ результатов.

Выводы по главе. ф

Глава 4. Экспериментальные исследования по определению профильных потерь в межлопаточных каналах турбинных решеток.

4.1 Методика экспериментального исследования.

4.2 Описание экспериментальной установки и объекта исследования.

4.3 Методика обработки экспериментальных данных и оценка погрешностей.

4.4 Анализ результатов. ф Выводы по главе.

Глава 5. Методика расчета профильных потерь и опыт ее применения.

Выводы по главе.

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

КПД турбины во многом определяется газодинамической эффективностью ее проточной части. Анализ конструкций высоконагруженных охлаждаемых турбин показывает, что основным резервом повышения их КПД в большинстве случаев является оптимизация лопаточных аппаратов. Сжатые сроки проектирования и доводки турбин обусловливают необходимость автоматизации процесса профилирования лопаточных аппаратов. Введение автоматизации требует пересмотреть подходы к процессу профилирования, с целью формализации оценки газодинамической эффективности профиля.

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

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

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

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

- погрешность 10.20 % (требуемая для инженерной практики);

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

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

Для достижения этой цели необходимо:

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

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

- получить регрессионную зависимость для определения профильных потерь;

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

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

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

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

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

Научная новизна.

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

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

Практическая значимость исследования.

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

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

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

Апробация результатов исследования.

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

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

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

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

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

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

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

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

Публикации.

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

Выводы по главе

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

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

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

137

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе:

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

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

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

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

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

1. Абианц, В. X. Теория газовых турбин реактивных двигателей Текст. / В.Х. Абианц. -М.: Машиностроение, 1965. 245 с. ^ 2 Гольцев, В. В. Определение потерь в прямых турбинных решетках

2. Текст. : труды ЦИАМ № 922 / В. В. Гольцев, А. П. Кадетов. М.: ЦИАМ, 1981,-12с.

3. Гольцев, В. В. Обобщенные экспериментальные зависимости для определения коэффициента профильных потерь в турбинных решетках

4. Текст. : труды ЦИАМ № 786 / В. В. Гольцев, А. П. Кадетов. М.: ЦИАМ,1977.- 13 с.

5. Мухтаров, М. X. Характеристики плоских дозвуковых решеток осевых турбин Текст. : труды ЦИАМ № 310 / М. X. Мухтаров. М.: ЦИАМ,• 1968.-46 с.

6. Дейч, М. Е. Техническая газодинамика Текст. / М. Е. Дейч. — М.: Госэнергоиздат, 1961. 653 с.I

7. Степанов, Г. Ю. Основы теории лопаточных машин, комбинированных и газотурбинных двигателей Текст. / Г. Ю. Степанов. — М.: Наука, 1962.-512 с.

8. Абрамович, Г. Н. Прикладная газовая динамика Текст. : учебник для студентов высших технических учебных заведений / Г. Н. Абрамович. — Изд. 3-е, перераб. М.: Наука, 1969. - 824 с.

9. Гиневский, А. С. Влияние вязкости газа на характеристики решеток

10. Текст. / А. С. Гиневский, С. А. Довжик // Промышленная аэродинамика: сб. трудов. Оборонгиз, 1958. - Вып. 11.- С. 58-60.

11. Мухтаров, М. X. Методика оценки потерь в проточной части осевых турбин при расчете характеристик Текст. / М. X. Мухтаров, В. И. Кричакин // Теплоэнергетика. 1969. - №7. - С.27-29.

12. Лойцянский, Л. Г. Механика жидкости и газа Текст. : учеб. для вузов / JI. Г. Лойцянский 7-е изд., испр. - М.: Дрофа, 2003. - 840с.

13. Дейч, М. Е. Атлас профилей решеток осевых турбин Текст. / М. Е. Дейч, Г. А. Филиппов, JI. Я. Лазарев. М.: Машиностроение, 1965. — 86 с.

14. Зысина-Моложен, Л. М. Расчет потерь в решетках профилей турбомашин Текст. / Л. М. Зысина-Моложен // Аэрогидродинамика: сб. трудов М.: Машгиз, 1954. - Кн. 27. - С. 42-46.

15. Кириллов, И. И. Газовые турбины газотурбинные установки Текст. / И. И. Кириллов. -М.: Машгиз, 1956. 168 с.

16. Лойцянский, Л. Г. Сопротивление решетки профилей, обтекаемой вязкой несжимаемой жидкостью Текст. / Л. Г. Лойцянский // Прикладная математика и механика М.: Наука, 1947. - Вып. 4. - С.23-25.

17. Зарянкин, А. Е. О кромочных потерях в турбинных решетках Текст. / А. Е. Зарянкин //Теплоэнергетика. 1966. -№1. - С. 14-18.

18. Матвеев, Г. А. Аэроднамика проточной части судовых турбин Текст. / Г. А. Матвеев, Г. Ф. Камнев, Н. М. Марков [и др.]. М.: Судпромгиз, 1961.-253 с.

19. Марков, Н. М. Расчет аэродинамических характеристик лопаточного аппарата турбомашин Текст. / Н. М. Марков. М.: Машгиз, 1975. - 265с.

20. Шерстюк, А. Н. Исследование профильных потерь в турбинных решетках Текст. / А. Н. Шерстюк // Теплоэнергетика. 1959. - № 6. - С. 46-50.

21. Венедиктов, В.Д. Газодинамика охлаждаемых турбин Текст. / В.Д. Венедиктов. М.: Машиностроение, 1990. - 239 с.

22. Праст, Н. Влияние геометрической конфигурации и толщины выходных кромок на характеристики сопловых решеток Текст. / Н. Праст, Р. Хелон // Технический перевод № 30300: NASA TND-6637/Jan/1972 М.: ЦИАМ, 1973.-22 с.

23. Руденко, С. В. Разработка и внедрение методов расчета газодинамических потерь в проточной части высоконагруенных газовых турбин Текст. : дис. . канд. техн. наук: специальность 05.07.05. / Руденко С. В. М., ЦИАМ, 2003.-151с.

24. Идельчик, И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям Текст. / И. Е. Идельчик. М.: Машиностроение, 1975 - 352 с.

25. Венедиктов, В. Д. Атлас экспериментальных характеристик плоских решеток охлаждаемых турбин Текст. / В. Д. Венедиктов [и др.]. М.: ЦИАМ, 1990.-393 с.

26. Дрейпер, Н. Прикладной регрессионный анализ Текст. / Н. Дрейпер, Г. Смит. М.: Статистика, 1973. - 391 с.

27. Пустыльник, Е. И. Статистические методы анализа и обработки наблюдений Текст. / Е. И. Пустыльник. М.: Наука, 1968. - 288 с.

28. Старков, Р. Ю. Метод расчета течения в межлопаточных каналах турбин и его применение на этапе проектирования Текст.: дис. . канд. техн. наук: специальность 05.07.05. / Старков Р. Ю. Рыбинск, 2005. - 150 с.

29. Лопатки турбинные и компрессорные. Расчет трансзвуковых и сврхзвуковых течений в решетках профилей Текст.: РТМ 108.020.18-82. М.: ЦКТИ, 1983.-42 с.

30. Орлова, В. И. Расчет критериев течения в межлопаточном канале турбинной решетки Текст. / В. И. Орлова. Рыбинск: ОАО РМ, 2000. - 32 с.

31. Флюгель, Г. Паровые турбины Текст. / Г. Флюгель. М: ГОНТИ, 1939.- 108 с.

32. Подвидз, Г. JI. Расчет двухмерного обтекания решетки вызкой несжимаемой жидкостью с отрывом на входной кромке Текст. / Г. Л. Подвидз, Г.Ю. Степанов // Изв. АН СССР. МЖГ. 1983. - № 3. - С. 34-44.

33. Андреев, Ф. М. Трехмерное моделирование профильной части турбинной лопатки Текст. / Ф. М. Андреев, С. С. Костюченко, С. Ю. Миронов [и др.] // ISSN 1607-8284. Турбины и компрессоры. 2001. -№ 3,4 - С. 28-32.

34. Шишкин, В. Н. Газодинамическое совершенствование сложнопрофильных элементов проточных частей ГТД методами структурного анализа Текст. : дис. . канд. техн. наук: специальность 05.07.05. / Шишкин В. Н. Рыбинск.: РГАТА, 1997. - 104 с.

35. IOSO NS Version 1.3 Руководство пользователя. М.: IOSO Technology Center, 2001-2003, 164С.

36. Kiock, R. The transonic flow through a plane turbine cascade as measurend in four European wind tunnels текст. / R. Kiock, F. Lehthaus, N.C. Baines, C.H. Sieverding // Trans. ASME: J. Eng. Gas Turbines and Power. 1986. -Vol. 108. -N 2. -P. 277-284.

37. Макнелли, В. Д. Обзор методов расчета внутренних течений в применении в турбомашинам Текст. / В. Д. Макнелли, П. Н. Сокол // Труды американского общества инженеров механиков. - 1985. - № 1. - С. 103-120.

38. Гостелоу, Дж. Аэродинамика решеток турбомашин Текст. / Дж. Гостелоу. М.: Мир, 1987. - 389 с.

39. Андерсон, Д. Вычислительная гидромеханика и теплообмен Текст. : в 2-х т./ Д. Андерсон, Дж. Таннехил, Р. Плетчер. М.: Мир, 1990. - 384 с.

40. Патанкар, С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости Текст. / С. Патанкар. -М.: Энергоатомиздат, 1984. 150 с.

41. Пирумов, У. Г. Численные методы газовой динамики Текст. / У. Г. Пирумов, Г. С. Росляков. М.: Мир, 1987. - 196 с.

42. Флетчер, К. Вычислительные методы в динамике жидкостей Текст. : в 2-х т. / К. Флетчер. -М: Мир, 1991. 1056 с.48 Fluent.com.

43. Бойко, А. В. Аэродинамический расчет и оптимальное проектирование проточной части турбомашин Текст. / А. В. Бойко, Ю. И. Говорущенко, С. В. Ершов [и др.]. Харьков: НТУ «ХПИ», 2002. - 341 с.

44. У. Фроста, Т. Моудлена. М.: Мир, 1980. - 220 с.

45. Опыт использвоания программ численного моделирования газодинамических течений в каналах ГТД Текст.: отчет о НИР (закл.): № 001.13233 /ОАО СНТК им. Н.Д. Кузнецова, рук. М. Г. Михеев Самара, 2002. - 26 с.

46. Иванов, В. JI. Теплообменные аппараты и системы охлаждения газотурбинных установок Текст.: учебник для вузов под ред. А.И. Леонтьева / В. Л. Иванов, А. И. Леонтьев, Э. П. Манушин [и др.]. М.: Изд-во МГТУ им

47. Ф Н.Э. Баумана, 2003. 592 с.

48. Л окай, В. И. Теплопередача в охлаждаемых деталях газотурбинных двигателей летательных аппаратов Текст. / В. И. Локай, М. Н. Бодунов, В. В. Жуйков [и др.]. М.: Машиностроение, 1985. - 216 с.

49. Аронов, Б. М. Профилирование лопаток авиационных газовых турбин Текст. / Б. М. Аронов, М. И. Жуковский, В. А. Журавлев [и др.]. М.: Машиностроение, 1978. - 168 с.

50. Бойко, А. В. Аэродинамический расчет и оптимальное проектирование проточной части турбомашин Текст. / А. В. Бойко, Ю. И.

51. Ф Говорущенко, С. В. Ершов. Харьков: НТУ «ХПИ», 2002. - 341 с.

52. Сравнение аэродинамических характеристик среднего сечения новой и существующей лопаток турбины ВД Текст.: отчет о НИР (закл.): № 001.13233. / ОАО СНТК им. Н.Д. Кузнецова, рук. Т. И. Шуверова, исп. Р. А. Киржнер. Самара, 1981.-30 с.

53. Улучшение аэродинамических характеристик сопловой и рабочей решетки профилей последний ступени турбины винтовентилятора. Экспериментальное исследование двух вариантов сопловой решетки Текст. :• Технический отчет 2560930 МЭИ-М.: МЭИ, 1993.-21с.

54. Kato, M. The modelling of turbulent flow around stationary and vibrating square cylinders / M. Kato, B.E. Launder // Proc. 9th Symposium on Turbulent Shear Flows. Kioto. Japan, 1993. P. 104 -106.

55. Русанов, В. В. Вычислительные погрешности разностных схем для расчета разрывных решений Текст. / В. В. Русанов, И. В. Безменов, Э. И. Нажесткина // Численное моделирование в аэрогидродинамике. — М.: Наука, 1986.-С. 174-187.

56. Литвинов, В.Г. Профилирование турбинных лопаток на ЭВМ Текст. / В.Г. Литвинов, Б.И. Мамаев, Е.К. Рябов // Проектирование и доводка авиационных газотурбинных двигателей: научно-технический сборник КуАИ. -Куйбышев: КуАИ, 1981. С. 36-39.145