автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Комплексное влияние конструктивных зазоров проточной части осевых малоразмерных турбин на оптимальный выбор их основных параметров и эффективность

V \ о ,;

• <■> ¡4.111 I . • -

Яэ правах рукописи

Митин Сергей Петрович

УДК 621.438

КОМПЛЕКСНОЕ ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ЗАЗОРОВ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ОСЕВЫХ МАЛОРАЗМЕРНЫХ ТУРБИН НА ОПТИМАЛЬНЫМ ВЫБОР ИХ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ

И ЭФФЕКТИВНОСТЬ

Специальность 05.07.05 Тепловые двигатели летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА

1997

Работа выполнена в Московском государственном авиационном ин туте (техническом университете)

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Кандидат технических ведущий научный сотру Б.А. Крыло

Доктор технических на профессор А.А.Шейпак

Кандидат технических доцент Л.Я.Лазаре:

Ведущая организация: АООТ А.Люлька-Сатурн,

г.Москва

Защита состоится 1997 г. в /"'■> час, на заседании

сертационного совета ССК 053.04.01 в Московском государственном а ционном институте по адресу: 125871, г.Москва, Волоколамское шоссе

С диссертацией молено ознакомиться в библиотеке МАИ. Отзывы на тореферат в одном экземпляре направлять в адрес диссертационного С та.

Автореферат разослан ^¿S'ic/i/SSsZ- 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Т.В.МихаЯл

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Осевые малоразмерные турбины (ОМТ) находят широкое применение в современной технике. Они применяются как в узлах главных двигателей, так и для привода их многочисленных насосов, агрегатов и другого вспомогательного оборудования. Обширное применение малоразмерных турбин делает очевидным актуальность и необходимость детальных исследований по повышению их эффективности и надежности, что позволит снизить затраты материальных и невосстанавливаемых энергетических ресурсов.

Вследствие малых размеров проточной части (ПЧ), ОМТ характеризуются повышенными значениями относительных конструктивных зазоров (периферийных, боковых, корневых), а поэтому существенное значение приобретают потери, связанные с расходными процессами в отмеченных зонах, в которых теряется не только часть активного работоспособного газа, но под влиянием этих утечек меняется стуктура и энергетика основного потока. Эффективным способом снижения расходных потерь в ОМТ является установка бандажа на периферии рабочих лопаток. Но даже в случае возможности использования бандажа расходные потери в ОМТ еще остаются весьма значительными, а в ряде случаев и определяющими. Как показали авторские экспериментальные исследования осевой обандаженной турбины с предельно малыми углами выхода потока из соплового аппарата <хп=30 и большими углами поворота потока в рабочем колесе 9=168° (называемые в дальнейшем турбинами нетрадиционной геометрии), изменение рабочего надбандажного радиального зазора в небольших пределах от 0.3мм до 0.9мм (при геометрических размерах (ПЧ): Ьса =16мм, Бср =109мм, и открытом осевом зазоре б1п=1,2мм) вызвало падение КПД турбины с пт=0,6 до %=0,4, т.е. в 1,5 раза, (рис.2)

Известно большое количество работ по оценке газодинамической эффективности ступеней осевых турбин, имеющих рабочие лопатки с бандажом, и влиянию на их КПД расходных потерь в зазорах ПЧ. Однако, рекомендации этих работ, относящиеся в своем большинстве для полноразмерных турбин, в условиях ОМТ значительно расходятся между собой. В ОМТ с парциальным подводом задача определения расходных потерь становится особенно сложной, гак как в проточной части таких турбин затруднено даже ставшее обычным деление газодинамических потерь на их отдельные составляющие. Поэтому разработка уточненной модели влияния всего комплекса конструктивных зазоров на эффективность ОМТ является весьма актуальной и практически необходимой задачей. Предварительные исследования автора указали на комплексное, взаимосвязанное влияние на расходные потери не только величин радиального и осевого зазоров, но и высо-

ты лопаток, среднего диаметра колеса, геометрических углов лопаточн венцов, степени парциальное™, режимного фактора и/с3. В связи с эт выбор оптимальных величин, характеризуют*«: пропускную способность ту бины ВорЫ (ЬУ0Ср)Орь, очевидно, должен производится с учет

потерь во всех основных конструктивных зазорах с целью их комплексн минимизации на самом начальном этапе проектирования. Следует подчер нуть, что под таким углом зрения проблема оптимизации ОМТ до сих п не рассматривалась.

Целью работы является решение приоритетной задачи повышения К осевых малоразмерных турбин на основе создания методики оптимально проектирования с уточненными расчетными моделями расходных потерь зазорах их проточной части и новыми данными по потерям в СА и РК с ш: роким диапазоном изменения геометрических параметров. Работа посвяще: исследованию расходных потерь, связанных с утечкой рабочего тела конструктивные зазоры проточной части обандаженных турбин, в том чис парциальных и турбин нетрадиционной геометрии с предельно малыми угл ми выхода потока из соплового аппарата <Х1<4°. и большими углами жда рота потока в рабочем колесе 6>167°.

Поставленная цель определила следующие задачи, реализованные программе исследований:

-провести расчетно-экспериментальное исследование ОМТ и их эл ментов для оценки влияния основных параметров на экономичность, а та же на потери из-за наличия зазоров в проточной части осевых турбин полным и парциальным подводом, малой и нетрадиционной геометрии;

-разработать комплекс методик, алгоритмов и программ оптимизац ОМТ с блоками, уточняющими расходные потери в зазорах ГО и газодинам ческие потери в ее элементах;

- -создать комплекс технологического и автоматизированного экспер ментального оборудования для изготовления,испытания модельных ОМТ широким диапазоном изменения релсимных и геометрических параметров;

-экспериментально проверить достоверность разработанных методик результатов оптимизации на созданных опытных ступенях ОМТ.

Методы исследования. Решение задач для достижения поставленн цели осуществлялось с помощью теоретического анализа, обобщения резу тагов уже известных работ, подробного экспериментального исследован модельных ОМТ. Планирование эксперимента выполнено с помощью метод математической теории эксперимента.

Научную новизну диссертационной работы представляют: -разработанная в целом математическая модель ОМТ с уточнением в личины расходных потерь в зазорах ПЧ;

-разработанный метод оптимизации параметров ОМТ с учетом влияния расходных потерь в зазорах с использованием критериальных комплексов;

-результаты расчетно-экспериментального исследования влияния конструктивных зазоров ПЧ на экономичность ОМТ как с полным и парциальным подводом, гак и турбин с малой и нетрадиционной геометрией;

-результаты эксперимергального исследования потерь в сопловых и рабочих решетках ОМТ в зависимости от геометрических и режимных параметров и обобщающие алпроксимационные зависимости суммарных потерь q>=f (ao,oci,h,Dcp) и 4=f(0i,B2.h,DCp).

Достоверность полученных результатов подтверждается: согласованностью выводов расчетного анализа и результатов экспериментальных исследований, методически обоснованным планом поставленных опытов, а также высокой степенью надежности автоматизированной системы измерений, сбора и обработки экспериментальной информации; соблюдением условий подобия при экспериментальных исследованиях; оценкой погрешности измерений. Полученные результаты не противоречат известным работам других авторов.

Практическая ценность заключается в том, что результаты исследований доведены либо до универсальных аналитических зависимостей, либо до уровня конкретных инженерных методик и пакетов программ для ПВЭМ на основе разработанной математической модели оптимизации параметров турбин. Создан уникальный экспериментально-технологический комплекс для изготовления и испытания ОМТ с широким диапазоном их геометрических и режимных параметров, позволяющий расширить знания о рабочем процессе ОМТ и непосредственно использовать полученные данные при разработке перспективных турбоагрегатов.

Личный вклад автора определяется: разработкой методик и программ расчета оптимальных параметров турбин; проведением расчетов и анализа результатов расчетного исследования; проектированием и изготовлением опытных образцов турбин и измерительных приборов; разработкой проект-но-конструкторской документации и участием в монтаже, автоматизации и доводке экспериментального стенда; разработкой необходимого программно-математического обеспечения автоматизации эксперимента; планированием, подготовкой, и проведением экспериментальных исследований; обработкой и анализом опытных данных; разработкой рекомендаций, следующих из анализа результатов работы.

Реализация. Результаты работы и выводы использовались в ряде научно-исследовательских работ кафедры: при разработке в МАИ высокоэкономичной восемнадцатиступенчатой пароводородной турбины перспективного ГДТ, при модернизации турбинного узла малогабаритного парогенератора

на базе турбокомпрессора ТК-18 по заказу ИВТАН РФ, в создании иштенс ной методики, учитывающей влияние конструктивных параметров 5Г; 5i;c 02; h; Dcp на эффективность турбинных ступеней форсированных ГДТ пс леднего поколения для НПО им.В.В.Чернышова и АООТ А.Люлька-Сатурн, создании автономного турбопривода внутритрубного исследовательскс снаряда по заказу АО Газпрома РФ, в совершенствовании лопаточных мал малоразмерных теллохолодильных установок по заказу НИИ НТ МАИ и едщ му конверсионному наряд-заказу приоритетного финансирования.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуж? лись на Всесоюзной конференции "Газотурбинные и комбинированные усз новки" 17-19 ноября 1987 года в МВТУ; на XL научно-технической сесс комиссии РАН по газовым турбинам 7-9 сентября 1993 года, г.Рыбине международной конференции "Aviation-the Ways of Progress" 23-26 нояС 1993 года, г.Москва; на Всероссийской НТК, посвященной памяти акадеь ка В.Н.Кондратьева 5-10 сентября 1994 года, г.Рыбинск; на Межвузовск научно-технической конференции "Конверсия и высокая технология" 29 д кабря 1995 года в МАИ; на XX Научных чтениях по космонавтике, поев ¡ценных памяти академика С.П.Королева, 30 января 1996 года в МГУ.

Публикации. Содержание диссертации отражено в выпущенных 20 нау но-технических отчетах и в 14 опубликованных статьях.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит введения, четырёх разделов, заключения, списка использованных источи ков. Она содержит 199 страниц, в том числе 55 страниц рисунков и чет ре таблицы, список использованных источников содержит 144 наймем® ния.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновываются актуальность и необходимость провел ния комплексного исследования всех видов потерь, в том числе и расхс ных в осевых турбинах малой и нетрадиционной геометрии, с полным парциальным подводом, излагается супщость работы и ставятся задач решаемые в последующих разделах.

В первом разделе изложен анализ известных результатов исследов ний механизма и газодинамики расходных процессов в периферийных и кр евых сечениях ПЧ как полноподводных, так и парциальных ОМТ. Показан что в краевых зонах ПЧ происходят сложные трехмерные, а в ряде случа и нестационарные пульсирующие течения с энерго и массообменом, что д лает на сегодняшний день результаты теоретического решения задачи с ределения расходных потерь энергии весьма приближенным, в особенност для ОМТ малой и нетрадиционной геометрии, с парциальным подводом. II

этому наиболее распространены методы, основанные на обобщении экспериментальных данных. В разделе сделан обзор и проанализированы достоинства и недостатки основных методов по расчету расходных потерь, вызванных конструктивными зазорами ПЧ обандаженных турбин из работы Абианца В.Х., Абрамова В.И., Черникова В.А., Крылова Б.А., Гоголева И.Г., Трояновского В. М. , Топунова А.М., Самойловича Г.С., Жуковского Г.В., За-вадовского А.М., Кириллова И.И., Курзона А.Г., Лопатитского А.О., Jle-венберга В.Д., Овсянникова Б.В., Шегляева A.B., Попова K.M., Михальдева В.Е., Хорлока Дзк.Х., Wadia A.R.

Сопоставление расчетных и экспериментальных значений расходных потерь, выполненное по данным различным авторов, показало большой разброс их значений для турбин с малыми высотами ПЧ и углами «i. Объясняется это тем, что аппроксимация известных формул, полученных в основном для полноразмерных турбин, в условиях ОМТ дает существенную погрешность. Для ОМГ практически отсутствуют исследования по учету влияния угла «i и парциальности на расходные процессы в краевых зонах ПЧ. Анализ работы показал, что дальнейшее совершенствование методов расчета расходных потерь возможно на основе комплексного учета взаимовлияния на эти потери основных параметров турбины, прежде всего радиального и осевых зазоров, высот лопаток, среднего диаметра, углов лопаточного аппарата, параметра u/cs.

В разделе отмечено, что выбор и величина конструктивных зазоров в ГИ турбин является сложной оптимизационной задачей газодинамики (КПД), прочности, надежности, акустики и живучести. Приведены статистические данные величин монтажных (холодных) зазоров уже выполненных конструкций ОМТ, показана их динамика при различных тепловых нагрузках. По результатам аналитического обзора обоснованы пути реализации поставленных задач исследования.

Во втором разделе проводится описание конструкции приборного и программно-математического обеспечения, созданного при непосредственном участии автора, экспериментального комплекса для статических и динамических испытаний модельных турбин и их элементов с автоматизированной системой сбора, обработки и регистрации информации на базе ЭВМ. Относительная погрешность определения на стенде внутреннего КГЩ турбины при доверительной вероятности 0,95 составила ~1,45 %. В разделе описано разработанное и отдаленное при участии автора двухкоординатное копировально-фрезерное устройство для изготовления элементов ОМТ.

Для решения поставленных в диссертации задач автором были спроектированы и изготовлены 18 кольцевых решеток (9 сопловых и 9 рабочих), развертка базовых профилей на 0108 мм дана на рис.1. Решетки различной

высоты получались из базовых путем проточки периферийного диаметра, полученных решеток были составлены 9 ступеней модельных ОМТ, основ] данные о которых сведены в таблицу 1. Таблица 1.

Параметры серии экспери- Варианты турбин

ментальных турбин 1 2 3 4 5 6 7 8 i

Средний диаметр DCp, мм. 108 102 96 108 102 96 108 102 i

Высота лопаток ПЧ Ьса,ш 16 9.65 4 16 9.65 4 16 9.65

Число лопаток СА Zea 21 21 21 14 14 14 5 5 1 5

Число лопаток РК ZpK 36 36 36 19 19 19 7 7 Г

Углы ПЧ: ai,град 16 17 17.8 9.2 9.92 10.5 2.95 3.13 3.

fia,град 37 39 41 21 22.3 23 5.5 5.84 6,

С2. град 34 36 38 19 20 21.5 5 5.2 1

Горло канала СА аса. мм 4.5 4.5 4.5 3.87 3.87 3.87 3.5 3.5 ;

РК арК,мм 5.2 5.2 5.2 5.81 5.81 5.81 4.0 4.0

Рис.1 Профили сопловых и рабочих лопаток серии модельных турби

Рабочие колеса всех турбин имели однотипную конструцию бандажного (периферийного) уплотнения, представляющою собой распространенный в практике турбостроения бесступенчатый тип прямоточного лабиринта, применяемый в многорежимных и теплонагруженных ступенях с возможным в эксплуатации радиальным и осевым перемещениями ротора. Проведенные специальные сравнительные испытания (продувки) четырех различных уп-лотнительных устройств ( в том числе и щелевого прямоточного безлабиринтного) как на периферии цельнометаллических дисков, так и на рабочих турбинных колесах N 1,2,3 подтвердили выводы ряда авторов (Крылов Б.А., Зальф Г.А.), что для относительно больших зазоров 5/Ь=0,05.. .0,3, характерных для ОМТ, влияние той или иной формы уплотнения не приводит к заметному изменению коэффициента расхода в надбан-дажной щели (Ад5г=4... 6%).

Третий раздел посвящен обобщению результатов комплексного экспериментального исследования модельных ОМТ и их элементов. Для изучения процессов, происходящих в кольцевых решетках с малыми высотой и углами «1, были проведены статические продувки (методом взвешивания) 9 сопловых решеток и получены обобщающие зависимости суммарных потерь г,са и газодинамического угла выхода потока «i от приведенной скорости 0,55<Xi<l,2, параметра h/Dcp=0,042.. .0,148 и геометрических углов 3°<а1эф<16°. Проведенная визуализация течений позволила расширить представления о механизме течений в решетках малых высот и углов «i.

Как следует из теоретических исследований ряда авторов(Крылов Б.А. .Топунов A.M. .Черников В.А.), потери энергии от периферийных зазоров взаимосвязаны и определяются развитием вторичных течений в периферийной зоне ПЧ. Поэтому было экспериментально изучено методом точечного траверсирования потока влияние различного превышения периферийного обвода на выходе из СА (что моделировало влияние изменения радиального зазора над РК) на газодинамику выходящего потока. Наличие превышения (Д1=3мм) способствует резкому уходу активной части потока в периферийные сечения и увеличению "теневой" зоны повышенных потерь в средних, а также в корневых сечения ПЧ. У СА с традиционными углами «1=16° не выявлено явного влияния превышения на распределение параметров по шагу и высоте решетки. Траверсирование в динамических испытаниях при вращении РК в составе ступени также показало сильное влияние изменения периферийного радиального зазора на газодинамику потока ступеней, с малыми углами «1. Из исследований следует вывод, что под расходными потерями в зазорах следует понимать не только потерю части рабочего тела, но и дополнительные потери, связанные с изменением структуры и энергетики основного потока в ПЧ, в особенности, как показали опыты, у турбин ма-

лой и нетрадиционной геометрии.

В разделе приводится анализ составленной физической модели расходных потерь в периферийных зазорах, который позволил выбрать в качестве определяющих факторов следующие макро-оптимизируемые величины: р5г=Г5г/Ррк=(5г/Оср)*(1+Ьрк/Вср)/(Ьрк/Оср) - относительная площадь радиального зазора; р51п=Р51п/Гса=(51п/(Вср^31Ш1))*(1+Ьса/0ср)/(Ьса/ВСр) - относительная площадь открытого осевого зазора; И/Бср - критерий размерности ПЧ;

эта! - безразмерная степень закрутки потока после СА; и/С3 - кинематический критерий режима работы. С целью получения математической модели расходных потерь в периферийных зазорах ОМТ анализу были подвергнуты полученные на стенде 93 экспериментальные характеристики модельных турбин ( типовые поля характеристик в виде зависимости внутреннего КПД ит ог отношения и/с3 для некоторых из испытанных турбин показаны на рис.2). Турбины отличались размерностью ПЧ(1т/0ср=0,148;0,095;0,042), углами (бЬ п«1=0,051;О,175;0,275) и различным сочетанием периферийных зазоров №=0,0215;0,1076;0Д937; Г51П=0,103...4,19.. .13,48). Газодинамические факторы в испытаниях стабилизировались на постоянном уровне:

То =290___310К;

Рг/Ро*

0,54...0,71;

МС1=0,66...0,84;

Р0*=(1,6...5)*Ю5 Па; ГгеЕ=(0,9.. .4,1)*105, критерий и/Сз=0.. .0,62.

турб Л / эеЧ

/

Г ¡¿0.0215

пЬз 0.723 1.456 -Ег-2.6 5.6

/

"/С/

. Рис.2 Экспериментальные характеристики модельных турбин Из анализа полученных полей экспериментальных характеристик Т1т=£ (и/С3) следует, что КПД турбины при различных радиальных зазорах с увеличением осевого зазора вначале уменьшается интенсивно, затем слабее, а далее изменение осевого зазора практически не сказывается на потерях в радиальном зазоре. В связи с чем расходные потери в периферийных зазорах рассматривались как функция величины снижения КПД из-за наличия утечки через радиальный зазор, как через конечный и определяющий элемент модели, с учетом влияния на эту величину осевого открытого зазора, который определяет интенсивность и характер утечки через ради-

- 11 -

альный зазор (пассивный, переходный и активный).

Результаты обработки полученных экспериментальных данных (рис.3), а также обработка известных результатов, полученных другими авторами, позволили получить единую функцию влияния параметра, характеризующего открытый осевой зазор Г51п, на потери от радиального зазора. Кб1П= Д'Пбг; 51П/Дл5г; 51П=сог^ = _-о,22

1п С (1+ (0. 43*Р5г"1 • б-13.84^ 5г)*Рб11п)1°' +1' 1

Я

_ _---- ** — 4-

Л/ -А... -

т Г Обоэи Ступень| р (еточншг '£4 Ьгы А, ¿сзн Ступень неточно ^

■ь* "•1

• тлл 0.03 16/юа и." X турб.4 0,13 16/106 и"

У ■ V Па—'" ✓ ТУОЙ.1 0.1! 16/108 к' 0 тут*. 5 0.02 9.6/10 ю"

Ч 0.19 16/108 к" «Г турб.5. о.п 9.6/Ю 10*

□ турв.г 0.02 9.6/101 16* V турб.5 0.19 9.ело: 10'

¿рУ — -расуегнув зависимое?« при: 1 /.л «о.аг-IX 2- Нх «О.П ✓ 3-ftj.-0.I9 И тур«.2 о.п 9.6/101 16* X турб.б о.оз 4/ЭС ю"

Ь ттов.г 0.19 9.6/101 16° ® турб.б о.п 4/96 и*

д Г) (16 4ЛК- 16 К турб.б 0.19 4/Э6 то"

/ / I / Г/ I/ А Чгрв-З 0.11 4/56 16 о гурв.7 0.02 16Л08 з'

А ЧГТЙ.З 0.19 4/96 16 турб.7 о.п 16/106 з"

ш гурб.4 0.02 !6Л08 ю турб.7 0.19 гелое э'

0 1 Рвг 2 * чп*.< О.П 16Л0в 10 турб.8 о.ог 9.6/101 3

Мозк Ступень источки Ьи. -Ь*

* ТУрб.В О.П Э.6Л01 з'

турб.в 0.19 9.6Л01 з'

сэ гурв.9 0.06 4/96 з'

.. ГУрб.9 0.11 </96 3'

1=1 Ьрв.э 6.19 4/96 з'

6 ИкЛиЛ ).0М 55/500 20*

V НлАА- 5.021 55/305 и'

X шьВЕ. ),066 55/305 и"

1» Ы- 0.00( 54/243 и'

о аядк 0.013 54/243 и*

а >.107 35А6? и

* Бо5ш1 0.021 25/353 12"

Л. 0.074 25/353 12'

"" Рис.'3 "Влияние относительной площади осевого зазора Рвз." на относительные периферийные расходные потери при различных величинах РбГ

Для активной формы утечки через радиальный зазор (когда дальнейшее увеличение 5ап не приводит к росту расходных потерь) была составлена математическая модель потерь от радиального зазора (при оптимальных и/С3) в виде критериальной модели регрессионного анализа. _

Дт)5г=3.8*Рбг +0.7638*Ь/Пср-0.2313*5:тсС1+1.7*р5Г*Ь/ВСр7.825*Рбг* ЭК!«!-1.717*з1па1*Ь/БСр-4. Б6*р5Гг-1.936*(1т/Т>Ср)2+- 0.919*зшгс(1-0.03

Как следует из исследований, параболы экспериментальных характеристик цт=Г(и/С3) с увеличение расходных потерь смещаются не эквидистантно , а в сторону уменьшения оптимального критерия и/С3. Указанное обстоятельство предложено учитывать зависимостями, опреленными из обобщения полученных экспериментальных данных.

[Ки/сз =0.688*е°-37кС(и/сз)раб /Си/сз)ор15г:1 _ ,где

|(и/с3)орЪбг=(и/с3)оргбг-0*И-368*1п[Ц-14.1*(1-Д-П5г)]. параметр (и/Сд)орЬ5г=о определяется из уравнения проф. Левенберга В.Д.

-СР*

е* Ь/Бср* з1п«1-0.0005* (е*Ь/Оср*з1п«1)"0,0569 + 0.001

Обладая достаточной точностью расчетных результатов, полученк уравнение регрессии, тем не менее ограничено рамками диапазона па; метров исследованных турбин. Анализ известных методов расчета расхс ных потерь и сопоставление их с данными многочисленных эксперимента! ных исследований позволили разработать универсальный метод, кото; можно было бы использовать для проектирования ОМТ с широким диапазоЕ изменения их параметров. Б связи с чем предлагается расходные поте от периферийной утечки учитывать в зависимости от нового комплекснс параметра - относительной приведенной плоадци радиального зазора, который функционально входят все основные оптимизируемые парамео ступени: Ь; 0СР; £1; Вг; аг,5г ; бх11. _

РпривБк=Ка1п* (1+ь/оСр)5 • ^г^тег

Вводимый комплексный параметр учитывает изменение относителы площади радиального зазора , изменение относительной площади осевс зазора, параметра размерности и степени закрутки потока за РК в ои сительном движении.

Результаты обработки экспериментальных данных в координатах Д1 =^(РпривБп) турбин с разной нагруженностью, разными параметрами ре1 ток профилей и формой ПЧ представлены на рис.4 и удовлетворител] описываются расчетной формулой _

Дт15Г=0.26*(РПРИВБн)0-73

~7Ц (6

2.0

гн

гз

с.го

/к ЭЛ6

¿Г

Обоан.'^.

ТБ IV 17.8 9.2 9.92 10.5 г.95 3.13 3.11

10 - 10.5 18 20

3.5 - 20 12_

Ьсл ""

-15— 9.65 4 16

У.65 Л 10

9.65 Л

II 50 80 4-19

гь

Л<од.' туро/г

Т г

3

4

а о

7

в о

^(¿ТПЧ

Аочомлрей Ц 'НиглЛымвИЕ г'Нугм^о? Н.Х /«(.ылоРЕ.Л (ГоО ко Д в. «

. [ о.г

о.з

0.4

О.Г> 0.7

0.8

Рис.4 Результат обработки экспериментальных данных зависимо расходных потерь в периферийных зазорах дивг от-комплексного параме приведенной площади РПрив

Анализ этого уравнения показывает, что для получения максимального КПД турбины необходимо не простое уменьшение конструктивных зазоров, что не всегда возможно из-за соображений прочности и надежности, а выбор целого ряда геометрических взаимосвязанных параметров для достижения минимального значения параметра приведенной площади в целом.

Проверка работоспособности и точности расчетного метода была сделана сопоставлением с экспериментальными данными из работ Пономарева Б. А.; Hartman W.; ЕминаО.Н.; Быкова H.H.; Крылова Б. А.; Попова K.M. Среднеквадратичная относительная погрешность расчетной аппроксимации экспериментальных данных из этих работ не превышает 7 %.

На стадии оптимального проектирования турбин с возможным парциальным подводом выжной становится адекватная математическая модель комплексного учета потерь как в периферийных зазорах, так и в межвен-цовых осевых зазорах (закрытом и корневом). Проведенные экспериментальные исследования в общей сложности 59 вариантов турбин с изменением степени парциальности е (0,143; 0,286 ; 0,476; 1), различными радиальными бг(0,2 мм.; 0,6 мм.; 1,5 мм.; 2,7 мм.) и независимым изменением трех осевых зазоров (5in; 5iKOP; 5i) показали сильное влияние осевых зазоров на КОД парциальных турбин, позволили построить диаграмму, показывающую относительную долю потерь от каждого осевого зазора.

Для аналитического разделения функций потерь от всех видов зазоров в парциальной турбине воспользуемся методическим приемом из работы Овсянникова Б.В., в котором допускается использование единой функциональной зависимости периферийных потерь Дт)5Г, не зависящей от степени парциальности. Это дало возможность искать влияние межвенцовых зазоров уже с учетом численного определения величины периферийных потерь.

В качестве обобщающего параметра принята относительная площадь осевых ( бокового и корневого) зазоров Fsa3. выражение которой с учетом введения корректирующих функций, учитывающих уменьшение влияния корневой и боковой площади при увеличении степени парциальности свыше пятидесяти процентов, имеет вид

F3a3=_L_-C0.64*(l - £8-2)4-2*5i_+2.98*(s - s2)1-47* 5iK0PHr l-h/Dcp>

siruxi*s DCp Dcp h/Dcp

Предоставленный на рис.5 результат обработки характеристик парциальных турбин описывается единой функциональной зависимостью

йП51=0.11*(Рзаз)0-76

- 14 - "п .....

ъ

и Условные обозначения

К.

□ О 0 X + А ▼ д о.из о.гвб 0.476 0.143 0.143 о.гае о.азе 0.47С 0.05С 0.05С ¡6 16 16 16 16 16 16 16 •20 8.: 16 16 16 [6 [6 ¡6 к 16 19 Г -в:*' 5.-5." -К* 5,-5.6мм .С -Ci0.4i.-i 5,-5.бии.У ЛГ".0,41'.'

* ч ■5

А

*

----,----.-1-

1 . _______2________ . . 3 .

Рис.5 Обобщающая зависимость Аиб1=£(Рзаз)

Таким образом, можно считать функцию вида

ЛТ)5£= Ко/сз^О.гб^СГприв613)0-73 +0.11*(Рзаз)0-76} , в целом, удовлетворительно обобщающей влияние конструктивных зазоре на КПД обандаженных полноподводных и парциальных турбин.

Четвертый раздел посвящен расчетно-теоретическому исследовш ОМТ и оптимизации их основных параметров.

Для оценки в общем виде влияния конструктивных зазоров на вы? оптимальных параметров ОМТ решалась дополненная результатами расчс но-экспериментального исследования расходного вида потерь и уточнен! ми данными по газодинамическим потерям в элементах ПЧ ОМТ сист< уравнений с ограничениями проф. Ешша О.Н.

Р(х;Е;8; Гприв6к ;Рзаз) в)*И-Ки/сзМ0.26*(Рпривбн) 73+

< __ _ ОЛ1*(Гзаз)0,76»-.

цт(х;£;8)=Т1Х(Ь)'Пт(£)Т1тС9}=(1-а/(а+х)) (1-Ь(1-е)/е) С1-с(1-8)/62) А=г*х*в ;0 < £ <-1 ; 0 < 8 < 1,где х = Ь/0СР, 6 = з1ш1/з1п20°.

Численные решения этой системы для выбранных значений относите, ных зазоров и параметра и/С3 приведены на рис. 6.

Увеличение периферийных и осевых зазоров при всех значений и, приводит к уменьшению оптимальной степени парциальности £0рь (из-увеличения оптимальной высоты) и увеличению оптимального угла «10рь

На рис.7 показан количественный выигрыш в КПД проектируемой т бины с оптимальными параметрами, полученными с учетом влияния коз труктивных зазоров, по сравнению с КПД турбины с параметрами, получ<

0.02 С.И 0.06 0.08 Д

Рис.6 Оптимальные параметры активной ОМТ с различными относительными осевыми и радиальными зазорами проточной части

_ Рис.7 Расчетные зависимости относительных коэфициентов суммарного Дцги частного Лцт КЦЦ ступени активных турбин различной производительности с оптимальными параметрами в; 8; х, полученными с учетом влияния конструктивных зазоров от их величин при различных значениях и/с3.

мыми без учета влияния расходных потерь на оптимальные параметры. Приведенные расчеты показали, что наибольший выигрыш в КПД получается при проектировании с учетом расходных потерь у турбин с малыми значениями

параметра производительности А и повышенными значениями и/С3.

В связи с тем, что в начале проектирования турбины величина па{ метра производительности А, относительно которой решалась задача ош мизации, неизвестна, то для разработки общей методики оптимизации вс пользуемся предложенным проф. Еминым О.Н. критериальным комплексе который непосредственно составлен из исходных параметров, задаваек для проектирования в ТЗ.

Исходное уравнение методики оптимизации с включенными в него I выми блоками учета газодинамических и расходных потерь получено в В1 { [п/ (и/С3;Ят)]*(и/Сд) №г) ]}*{ А[Лт(А)*Т)5£]>= и^компл Для численного решения данной экстремальной задачи использова. метод нелинейного программирования в виде алгоритма многомерного с. чайного поиска, реализованный в программный модуль ПЭВМ.

В качестве тестирования методики для исходных данных &г=0,35кг, Рс*=37900Па; РТ=23000ПА; п=20150об/мйн; То*=ЗООК; Е)корн=0,09: Дса=0,0002м; 1?=287Длс/кг*К; к=1,4; р0=1,29кг/м3 были проведены расч« ные исследования "чувствительности" основных оптимальных параметров КПД проектируемой турбины от изменения рабочих радиального и осе] зазоров _Грис.81.

>

ч

— = ч ис

>

гй

1-2 1.« 5ч

0.004 О.ООЭ '0.013

«-/А*

о.озг о.сег о.кг

о!б1? о.Ьж оЬъ/ъ^ ой—Йг ' ¡Г^

Рис.8 Результаты оптимизации ОМТ при различных зазорах 114

На рис.9А показана предельная расчетная кривая КЦЦ множества тимальных турбин для заданных начальных условий при различных радиа ных зазорах. Как видно из графика, при 6г=1мм расчетный КПД (%•) расчетные оптимальные параметры С«1орЪ=9°; Ьор1=9мм) совпадают с па метрами и экспериментальным КЦЦ модельной ОМТ N5. Для дополнительн подтверждения расчетной методики были сопоставлены экспериментальны расчетные результаты еще трех турбин (ОМТ Н 1;3 и 7).

На рис.9Б приводится зависимость от изменения 5Г относительн снижения КПД турбины, соптимизированной на конкретный рабочий радиа ный зазор по отношению к КПД оптимальной турбины, соптимизировнной

сопоставляемый зазор.

Из графика рис. 9® видно, что если турбина соптимиэирована без учета расходных потерь, то ее КПД при бг=1мм будет на 30% меньше, чем КЦЦ турбины при том же зазоре, соптимизированной с учетом расходных потерь. Данное расчетное положение подтверждено экспериментальным исследованием турбины N7 (011=3°; ЬСа=16мм), которая по своим геометрическим параметрам соответствует расчетной оптимальной турбине с нулевыми зазорами (рис.8). Экспериментально подтверждено полученное расчетным путем преимущество в КЦЦ турбины, соптимизированной на рабочий зазор 5г=1,6мм (геометрические параметры ОМТ N3 сс1=17,8° Ь=4мм) по отношению к КПД турбины N5 ( «1=10° ЬСа=10мм) том же радиальном зазоре, параметры которой получены при оптимизации на бг=1мм. Таким образом, совпадение расчетных и экспериментальных данных свидетельствует об адекватности предложенной методики оптимизации ОМТ с учетом расходных потерь в конструктивных зазорах их ПЧ.

А Б

0 0.С32 0.088 0.132 ^

Турбина спроактйрованная"из начального условия:

2- 6, » X •«.; = «, = .8».; =151 ; б .77 те =1. /

0.032 0.088

Рис.9 А Сопоставление расчетных и экспериментальных значений КПД оптимизируешх турбин с различными радиальными зазорами при условии 51й=51=51Аорн=2.8 мм. и/с3=0.4 ; 0корн=0.092 м.

Рис.9 Б Сопоставление эффективности турбин, спроектированных при условии различных величин начальных конструктивных зазоров при изменении периферийного радиального зазора (51п=51=б1корн=2.8 мм. и/ся=0.4 ; 0корн=0.092 м.)

-18-ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей диссертационной работе, посвященной исследованию р; ходных потерь, связанных с утечкой рабочего тела в конструктивные s зоры ПЧ обандеженных турбин как с полным подводом, так и с парциа ным, турбин с предельно малыми углами выхода потока из соплового аш рата и большими углами поворота потока в рабочем колесе, были сдел; следующие выводы и получены следующие основные результаты:

1. Проведено комплексное экспериментальное исследование расход! потерь в конструктивных зазорах осевых обандаженных турбин, полнош водных и парциальных, с использованием методов математической тео] планирования экспериментов. Уточнена физическая модель расходных i терь, экспериментально показано, что в осевых турбинах отрицагелы действие периферийного зазора, кроме непосредственной потери в ! части рабочего тела из-за утечки, проявляется и в изменении расчет аэродинамической структуры основного течения в проточной части, ' дополнительно приводит к падению экономичности турбины, в особенно« турбин нетрадиционной геометрии.

2.Создано технологическое и автоматизированное эксперименталы оборудование для изготовления и исследования кольцевых решеток ocei турбин с широким диапазоном изменения их геометрических параметров.

3.Экспериментально показано, что на величину расходных пог< оказывает влияние не только сами величины конструктивных зазоров, н< значения геометрических углов лопаточных аппаратов ai и £2. парам« размерности h/Dcp , степень парциальности s, и режимный параметр и/<

4.Потери от периферийных зазоров (8Г и ôin) предложено определ! в зависимости от предложенного комплексного параметра - относителы приведенной площади радиального зазора -FnpiœBH-

5.Впервые получены экспериментальные результаты по раздельна влиянию осевых зазоров (6i,5in,5iKOpH) при различных радиальных 5Г экономичность парциальных ступеней. Получена диаграмма учета огнск тельных долей расходных потерь, вносимых осевыми зазорами, при изме] нии степени парциальности. Величину потерь аналитически предло» учитывать в зависимости от нового обобщающего параметра - относите, ной площади F3as(5i,ÔiKOpH,h/Dcp,£,«1).

6.Получены результаты экспериментального исследования потерь кольцевых сопловых и рабочих решетках малоразмерных турбин в зави< мости от их геометрических и режимных параметров. Предложены обобщ щие аппроксимационные зависимости суммарных потерь <p=f(«o.«i,h,Dcp 4>=f (J3i,P2>h.DCp). Полученный в экспериментах уровень КПД разработ.

ных и изготовленных турбин находится на уровне максимально достижимых значений КПД известных турбин той же производительности, а в ряде случаев и превосходит его.

7. Разработана методика оценки влияния различных значений конструктивных зазоров на выбор оптимальных параметров турбин на начальном этапе проектирования и количественно показана экономическая целесообразность учета этого влияния в сравнении с ранее существовавшими методами оптимального проектирования.

8. Разработана общая аналитическая методика определения экономичности турбины и ее основных параметров с учетом величины расходных потерь в зазорах с использованием критериальных комплексов, составленных из параметров, задаваемых для проектирования турбины.

9. Разработана детальная газодинамическая методика расчета малоразмерных турбин с обандажешшми рабочими колесами на основе математической модели в одномерной постановке.

10. Разработана и отлажена программа макрооптимизации основных параметров ОМТ для САПР, использующая математический метод многомерного случайного поиска и позволяющая комплексно учесть все взаимовлияю-щие виды потерь и ограничения.

И. Проведено тестирование разработанной методики оптимизации путем сопоставления расчетных и экспериментальных данных изготовленных оптимальных турбин. Показана хорошая сходимость всех результатов и правильность принятых принципов теплового расчета. Также расчетно показано и экспериментально подтверждено преимущество в КПД турбин соп-тимизированных с учетом расходных потерь в заданных рабочих зазорах 114 перед турбинами, соптимизированнши без учета расходных потерь.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Крылов В.А., Митин С.П. Расчетные и экспериментальные исследования парциальных турбинных ступеней. /Сб.науч.тр.МАИ"Расчетное и экспериментальное исследование ВРД ".Москва,1S87 г.,с.48-51.

2. Крылов Б.А., Мезин А.Ю., Митин С.П. Особенности совместной работы ступеней в многоступенчатой малорасходной обандаженной турбине./Тез. докл. Всесоюзной конференции МВТУ''Газотурбинные и комбинированные установки",Москва, МВТУ,1987г.

3. Крылов Б.А., Митин С.П. Экспериментальное исследование взаимного влияния осевых зазоров на эффективность турбинных ступеней с парциальным подводом. / Сб. науч. трудов: Расчетные и экспериментальные исследования ВРД. М., МАИ, 1988 г., с. 32-36.

4. Крылов Б.А., Мезин А.Ю., Митин С.П. Исследования характеристик

многоступенчатых малоразмерных турбин./ Сб. науч.трудов МАИ'Тазо! динамика элементов ВРД",Москва,1988г.,с.60-65.

5. Крылов В.А., Мезин А.Ю., Митин С.П. Совместная работа ступе! в многоступенчатой малорасходной турбине./ Сб.науч.тр.МАИ"Теоретиче кие и экспериментальные исследования ВРД",Москва, 1989г.,с.56-61.

6. Крылов Б.А., Митин С.П. Экспериментальное исследование влияь радиального зазора в сопловом аппарате турбинной ступени./Сб. г уч.тр.МАИ'Тазодинамика лопаточных машин и других элементов ВРД",Мое ва,1989г.,с.49-53.

7. Быков H.H., Крылов Б.А., Митин С.П. Выбор конструктивной схе пароводородной турбины ГТД перспективных схем. / Сб. науч. трудов, 1 оретическое и экспериментальное исследование ВРД. М.,МАИ, 1991г.

8. Крылов Б.А., Гусаров С.А., Митин С.П. Комплексное влияг конструктивных зазоров в проточной части парциальной турС ны./Тез.докл. на XL НТС по проблемам газовых турбин комисии РАН. F бинск,1993г.

9. Крылов Б.А., Гусаров С.А., Митин С.П. Оценка потерь в проток ной части малоразмерных турбинных решеток от угла поворота потор /Тез.докл. на XL НТС по проблемам газовых турбин комисии РАН. F бинск,1993г.

10. Крылов Б. А. .Гусаров С.А., Митин С.П. Исследования турбин г роводородных ГТД перспективных схем./Тез.докл. на международной кон<| ренции "Aviation-the Ways of Progress" 23-26 ноября 1993 г., г.Mocki

11. Крылов Б.А., Гусаров С.А., Митин С.П. Исследование аэродет мики проточной части малоразмерных осевых турбин./Сб.науч.тр.МАй"Те рия ВРД и их элементов",Москва,1995г., с.80-93.

12. Крылов Б.А.-, Митин С.П., Гусаров С.А. Исследование соплог аппаратов осевых турбин малой и нетрадиционной геометрии./ Тез. доь на XX Научных чтениях по космонавтике, Москва, 1996 г. с.49

13. Крылов Б.А., Гусаров С.А., Митин С.П., Исследование потерь энергии в рабочих решетках осевых малоразмерных турбин./ Тез. докл. на XX Научных чтениях по космонавтике, Москва, 1996 г. с.50

14. Крылов Б.А., Гусаров С.А., Митин С.П., Покровский C.I Складнев A.B. Исследование влияния расходных воздействий охлаждающе воздуха в периферийной области ступени, зазоров и ряда конструктив!; параметров на эффективность турбин перспективных двигателей и конве сионных вариантов турбокомпрессоров, энергоузлов, теплохолодильных } тановок , турбин привода агрегатов // Тезисы доклада на конференции программе " Конверсия и высокие технологии 1994-1996 г." по разде "Транспорт". М. МАИ, 1996 г. с.269-270