автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Метод проектирования форсажных камер для начальных стадий разработки ВРД

□□3475242 На правах рукописи

2 О АВГ 2009

СЕНЮШКИН НИКОЛАЙ СЕРГЕЕВИЧ

МЕТОД ПРОЕКТИРОВАНИЯ ФОРСАЖНЫХ КАМЕР ДЛЯ НАЧАЛЬНЫХ СТАДИЙ РАЗРАБОТКИ ВРД

Специальность 05.07.05 - Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа - 2009

003475242

Работа выполнена на кафедре авиационных двигателей ГОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет»

Научный руководитель:

канд. техн. наук, доц. Харитонов Валерий Федорович Официальные оппоненты:

д-р техн. наук, проф. Мингазов Билал Галавтдинович канд. техн. наук, доц. Христолюбов Вячеслав Леонидович

Ведущее предприятие: ФГУП « Научно-производственное

предприятие «Мотор»

Защита состоится 25 сентября 2009 г. в 10 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д-212.288.05 при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: г.Уфа, ул. К.Маркса, 12.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Уфимского государственного авиационного технического университета.

Автореферат разослан _2009

Ученый секретарь диссертационного совета д-р техн, наук, проф.

Ф.Г.Бакиров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Форсажная камера сгорания, как один из основных узлов воздушно-реактивного двигателя для сверхзвуковых самолетов, играет существенную роль в обеспечении его технических характеристик. Несмотря на кажущуюся простоту устройства, рабочий процесс в форсажной камере весьма сложен. Он представляет собой совокупность физико-химических процессов, протекающих в потоке движущегося реагирующего высокотемпературного газа практически одновременно и влияющих друг на друга. В связи с этим, форсажная камера трудно поддается моделированию с использованием аналитических и численных методов.

Создание и доводка форсажных камер ВРД требует проведения большого объема сложных и ресурсоемких экспериментов.; Вследствие этого, разработка эффективных методов и средств их моделирования для каждого этапа проектирования является актуальной задачей.

Сложная структура рабочего процесса форсажных камер диктует необходимость разработки систем-моделирования, позволяющих решать задачи инженерного анализа в области различных дисциплин - газодинамики, горения, теплообмена, прочности, долговечности, то.есть многодисциплинарных систем анализа.

Особое место при проектировании форсажных камер занимают начальные этапы (техническое предложение и эскизное проектирование). Именно на них закладывается облик будущей камеры, выбирается тип и размеры основных элементов, проводятся предварительные детальные расчеты. Чем точнее оценки и результаты, полученные на этих этапах, тем- меньше продолжительность и, соответственно, стоимость последующих стадий разработки, особенно доводки.

В связи с вышеизложенным, разработка инженерных методов и средств математического моделирования форсажных камер и их элементов для использования на этапах предварительного проектирования является актуальной задачей. .„■,...

Среди методов, используемых для моделирования камер сгорания, перспективным является модульный метод. Преимущества этого метода -универсальность, гибкость, производительность, умеренные требования к вычислительным ресурсам - позволяют рассматривать его как базовый метод для разработки многодисциплинарных многоуровневых систем моделирования форсажных камер ВРД.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка и реализация метода предварительного проектирования форсажных камер, основанного на использовании многс.цисцигахинарной двухуровневой системы их моделирования и анализа.

Для достижения данной цели решены следующие задачи: -проведен сравнительный анализ методов, используемых при моделировании форсажных камер; обоснована целесообразность применения модульного метода;

-разработана структура подсистемы формирования облика форсажных камер ВРД, включая библиотеку типовых элементов, информационные потоки, математические модели и алгоритмы, наборы входных и выходных данных;

-разработана структура подсистемы детального (газодинамического и теплового) моделирования форсажных камер ВРД, включая библиотеку типовых элементов, информационные потоки, математические модели и алгоритмы, наборы входных и выходных данных;

-разработана методика решения задач формирования облика, детального (газодинамического и теплового) анализа форсажных камер различных конструктивных схем;

-произведено тестирование разработанной системы на задачах формирования облика, газодинамического и теплового анализа форсажных камер на соответствующих стадиях процесса разработки авиационного двигателя;

- исследована возможность уточнения используемых математических моделей элементов с помощью программных комплексов трехмерного газодинамического и теплового моделирования. Предложен метод уточнения одномерных моделей на основе данных трехмерного расчета.

Научная новизна

-для моделирования форсажных камер на начальных стадиях разработки впервые применен модульный метод;

- впервые разработана структура многодисциплинарной двухуровневой системы моделирования форсажных камер ВРД, включающая библиотеки основных модулей для двух уровней, информационные потоки, законы расчета;

-разработаны информационные модели основных модулей; -предложена новая методика организации взаимодействия одномерного и трехмерного расчетов с целью уточнения математической модели в процессе решения задачи.

Практическая значимость. Разработана многодисциплинарная двухуровневая система газодинамического и теплового.моделирования и анализа форсажных камер ВРД которая может быть использована на этапах разработки технического предложения, эскизного проектирования, а также доводки форсажных камер ВРД. Практическая ценность работы состоит в следующем:

-на этапе проектирования - в повышении качества и сокращения времени проектирования за счет увеличения количества просматриваемых вариантов; более детального и всестороннего анализа каждого проектного решения;

появления возможности решать задачи, возникающие при проектировании нового поколения авиационных двигателей, при непрерывном совершенствовании используемых в системе математических моделей;

-на этапе исследований — в возможности анализа работы форсажной камеры на всех режимах для различных стадий проектирования и замены ряда экспериментов, связанных с натурными испытаниями на дорогостоящих установках, математическим моделированием;

-в учебном процессе — в возможности газодинамического и теплового моделирования форсажных камер ВРД при выполнении лабораторных работ, в курсовом и дипломном проектировании.

Методы исследования. Полученные автором результаты базируются на основных положениях теории рабочих процессов камер сгорания ВРД, методах системного анализа с применением современных информационных технологий и результатах экспериментальных исследований элементов форсажных камер.

Основные результаты исследований, выносимые на защиту:

1. Основные принципы формирования многодисциплинарной многоуровневой системы моделирования форсажных камер ВРД на основе модульного метода.

2. Структура многодисциплинарной двухуровневой системы анализа форсажных камер ВРД.

3. Информационные модели основных модулей системы.

4. Результаты анализа форсажной камеры ТРДДФ на разных этапах проектирования, сравнение расчетных и экспериментальных данных.

5. Результаты проверки эффективности . использования программного комплекса АЫБУБ СБХ (проведение численного эксперимента) с целью частичной замены натурного эксперимента.

6. Методика уточнения модели одномерного расчета на основе данных трехмерного моделирования на примере диффузора форсажной камеры.

Обоснованность и достоверность результатов исследования.

Достоверность результатов проведенных в работе исследований и расчетов подтверждена путем их сопоставления с экспериментальными данными конкретных изделий на различных режимах работы. Математические модели элементов, используемые в работе, сформированы на базе эмпирических соотношений, применяемых в промышленности при проектировании форсажных камер.

Внедрение. Результаты диссертационной работы внедрены в ФГУП "НПП "Мотор" и 1?. учебный процесс ГОУ ВПО УГАТУ.

Апробация результатов работы.

Основные результаты работы докладывались на IX Всероссийской научно-технической конференции "Информационные технологии в науке, проектировании и производстве" (Н. Новгород, 2003), всероссийской молодежной научно-технической конференции «Проблемы современного машиностроения» (Уфа, 2004), международных конференциях «Информационные техполотсш в образовании, технике и медицине». (Волгоград, 2004, 2006), Международной НТК в ЦИАМ (Москва, 2005), НТК «Гагаринские чтения» (Самара, 2006), X, XI и XII Всероссийских НТК Аэрокосмическая техника и высокие технологии (Пермь, 2007, 2008, 2009), НТК молодых специалистов, инженеров и техников, посвященной годовщине образования ОАО «УМПО» (Уфа, 2007), Всероссийских молодежных научных конференциях "Мавлютовские чтения» (Уфа, 2007, 2008), Результаты работы обсуждены в бригаде форсажных камер и выходных устройств «ФГУП «НПП Мотор» и используются там при разработке перспективных авиационных двигателей.

Работа отмечена Дипломом как лучшая исследовательская работа в области информационных технологий на НТК молодых специалистов, инженеров и техников, посвященной годовщине образования ОАО «УМПО» (Уфа, 2007).

Публикации. Результаты исследования отражены в 15 публикациях, в том числе в двух изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы (83 наименования).

Основная часть работы содержит 152 страницы, 98 иллюстраций, 7 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность работы, дана краткая ее характеристика, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ методов, используемых для моделирования форсажных камер и их элементов. Раскрыто понятие моделирования, приведена классификация моделей.

Отличительной особенностью моделирования как метода исследования является возможность изучения, прогнозирования и оптимизации таких объектов и процессов, проведение натурного эксперимента для которых затруднительно.

В главе рассмотрены следующие методы:

1 Струйный метод. Газодинамическая картина течения в камере сгорания представлена в виде системы струй: газового потока, охлаждающего воздуха, циркуляционного течения за стабилизаторами, в пристеночном слое. Метод может использоваться для исследований картины течения газов в жаровой трубе форсажной камеры с целью качественного анализа уровня потерь полного давления на этапе предварительного проектирования.

1 г Hi th1 n

а б

Рисунок 1 - Схема проточной часта форсажной камеры'для моделирования: а) последовательно-одномерным методом, б) сетевым методом

2.Последовательно-одномерный метод. Проточная часть форсажной камеры представляет собой систему последовательно расположенных элементарных участков (рис. 1а), на каждом из которых процессы описываются одномерными соотношениями. Параметры на выходе из какого-либо участка являются входными для следующего

Математическая модель для этого метода, разработанная В.Я. Безменовым и Б.Г. Мингазовым, основана на следующих допущениях: вся зона горения условно разделена на п характерных участков; смешение паров топлива со вторичным воздухом происходит мгновенно; в процессе горения участвуют только пары топлива, перемешанные с воздухом, топливовоздушная смесь является однородной; теплофизические характеристики смеси продуктов сгорания в пределах каждого участка постоянны и определяются параметрами на входе.

3 Сетевой метод моделирования построен на базе метода расчета трубопроводных сетей. Модель формируется в виде разветвленной сети, состоящей из большого количества элементарных каналов и узлов. Элементы соответствуют реальным физическим особенностям конструкции, а узлы объединяют их в общую структуру, сеть (рис. 1.6). Основные уравнения решаются в узлах, потоки в элементах описываются с помощью полуэмпирических соотношений.

Использование сетевого метод позволяет моделировать процессы течения и теплообмена с учетом тепловыделения при горении, дает возможность оценивать потери полного давления и тепловое состояние стенок. Метод является эффективным инструментом как предварительного, так и детального анализа камер сгорания.

4 В методах механики сплошных сред для анализа поведения газа под влиянием -внешних воздействий используется представление исследуемой области в виде совокупности большого числа элементарных ячеек (в сложных моделях их количество может достигать 108...109). Для решения задач механики жидкости и газов используются методы вычислительной гидрогазодинамики и тепломассообмена (Computational Fluid Dynamics - CFD), например, метод конечных элементов. Они предполагают высокую степень детализации исследуемой области и обеспечивают решение задач в трехмерной постановке.

Результатом решений являются распределения параметров потока рабочего тела у тепловое состояние элементов.

Методы СББ, требующие для реализации значительных затрат времени, применяются на этапах, связанных с детальным проектированием и доводкой. Их использование на начальных стадиях затруднено или невозможно ввиду недостаточности исходных данных. В настоящее время применение этих методов непрерывно расширяется. В главе приведены примеры использования методов СББ при разработке и исследовании форсажных камер ВРД.

Анализ методов моделирования, используемых для моделирования форсажных камер, показал:

1. Наиболее точные результаты дают СИ) методы; это обеспечивается высокой степенью дискретизации исследуемой области, двух- и трехмерной постановкой задачи, учетом различных физических особенностей процессов. Их прямое применение на этапе предварительного проектирования нецелесообразно, так как для этого необходима подробная модель расчетной области.

2. Наиболее простым для использования является последовательно-одномерный метод. Однако при его применении осуществляется жесткая привязка математической модели к схеме проточной части и, таким образом, переход к форсажным камерам с другими конструктивными особенностями сопряжен с необходимостью перестройки всей математической модели.

3. Сетевой метод, также как и последовательно-одномерный, требует привязки математической модели к схеме проточной части форсажных камер.

4. Струйный метод позволяет получить лишь качественную оценку гидравлических характеристик форсажных камер; такие важные особенности течения, как подвод тепла, учитываются недостаточно точно.

5. Ни один из рассмотренных методов не дает возможности создать оперативный, достаточно гибкий и универсальный инструмент моделирования форсажных камер ВРД различных схем. Соответственно, не представляется возможным в течение ограниченного срока выполнить сравнительный анализ нескольких вариантов узла для выбора наилучшего в соответствии с требованиями технического задания.

Проведенный анализ в области газодинамического моделирования и проектирования форсажных камер ВРД выявил необходимость и актуальность поиска новых методов, создания новых эффективных инструментов в этой области.

В заключение первой главы сформулированы цели и задачи диссертационной работы.

Во второй главе для решения задач газодинамического анализа (проектирования) форсажных камер сгорания ВРД предлагается использовать модульный метод, заключающийся в том, что форсажная камера рассматривается

как совокупность типовых элементов (модулей), каждый из которых выполняет определенные функции.

В форсажной камере сгорания ТРДЦФ выделяются следующие основные модули: смеситель, диффузор, разделитель, воспламенитель, система топливных коллекторов, решетка стабилизаторов, жаровая труба (собственно камера), теплозащитный экран, капал смесителя, канал тракта охлаждения и др.

При решении задач проектирования форсажной камеры из имеющихся модулей составляется модель для расчета (рис. 2).. Математическая модель камеры формируется в виде совокупности моделей её отдельных элементов (модулей). В качестве моделей элементов используются одномерные соотношения, в том числе, полученные в результате обобщения результатов экспериментов. Система нелинейных алгебраических уравнений, образующих математическую модель, решается методом Ньютона.

Рисунок 2 -Принципиальная схема модели форсажной камеры для этапа формирования

облика

1 - смеситель, 2 - диффузор, 3 - воспламенитель, 4 - система топливных коллекторов, 5 -решетка стабилизаторов, 6 - камера.

На основе вышеизложенного сформулированы следующие основные принципы использования модульного метода для моделирования форсажных камер ТРДЦФ:

1. Форсажная камера рассматривается как совокупность типовых элементов, модулей, каждый из которых выполняет определенные функции.

2. Каждый модуль имеет свою математическую модель.

3. Деление форсажной камеры на модули может проводиться по функциональному, конструктивному или процессионному принципу.

4. Различают модули:

• с фиксированной математической моделью без условий выбора (модули

первого типа);

• с разветвленной математической моделью, имеющей условия выбора

(модули второго типа);

• со смешанной структурой; ветвления позволяют уточнять алгоритмы

расчета локальных переменных.

5. Формируется библиотека базовых модулей с учетом задач этапа проектирования.

6. Библиотека модулей является открытой, то есть их количество неограничено.

7. Для решения задач моделирования форсажных камер из имеющихся в библиотеке модулей создается расчетная модель, в которой модули соединяются между собой специальными связями в соответствии с движением рабочего тела

(газа, воздуха) по тракту форсажной камеры; через эти связи передаются параметры потока (расход, давление, температура и т.д.).

8. Математическая модель камеры формируется в виде совокупности математических моделей отдельных модулей.

Предложенный модульный метод, по сравнению с известными методами моделирования, обладает большей гибкостью и универсальностью, так как позволяет:

1. Моделировать форсажные камеры сгорания различных схем и детализации, используя пополняемую библиотеку модулей. При этом переход от одной схемы к другой не требует изменения математических моделей модулей. Достаточно собрать новую расчетную схему из элементов имеющегося набора, при необходимости дополнив его.

2. Для анализа в рамках дополнительных дисциплин необходимо расширить библиотеку набором соответствующих модулей.

3. Использовать для каждого модуля различные математические модели.

4. Создавать гибкие и «открытые» системы моделирования форсажных камер (т.е. развиваемые за счет ввода и новых модулей; и новых математических моделей для каждого модуля).

5. Решать задачи начальных стадий разработки форсажных камер, такие как формирование облика и детальный расчет, используя одну и ту же рабочую среду с помощью соответствующих библиотек модулей.

Далее в главе рассмотрены математические модели отдельных модулей. В качестве основы математических моделей используются одномерные соотношения, базирующиеся на законах сохранения массы, энергии, импульса, уравнении состояния газа. Часть моделей сформированы на основе обобщения экспериментальных и эксплуатационных данных по разработанным форсажным камерам.

В третьей главе представлена разработка двухуровневой многодисциплинарной системы моделирования форсажных камер ВРД -«АйегЬигпег». Рассмотрены информационные модели элементов.

Разработка выполнена в компьютерной среде САМСТО (Синтез и Анализ Моделей Сложных Технических Объектов), позволяющей создавать системы моделирования любого технического объекта, если известна совокупность уравнений, описывающих его поведение.

Рабочий процесс форсажных камер представляет собой достаточно сложную совокупность элементарных процессов, взаимно влияющих друг на друга, что диктует необходимость объединения в одной системе нескольких научных дисциплин, то есть создания многодисциплипарной системы.

Оснорные принципы, на которых строятся такие системы моделирования, заключаются в следующем.

1. Использование единого численного метода решения задач различных дисциплин; то есть система имеет общее ядро, на базе которого решаются задачи анализа различных аспектов проектируемого (исследуемого) объекта.

2. Использование единого метода дискретизации исследуемого объекта, т.е. для различных дисциплин используются единый подход к формированию библиотеки модулей.

3. Пре- и постпроцессор системы организован в единую среду, имеющую интуитивно понятный интерфейс.

4. Использование единого стандарта обмена данными внутри системы, т.е. наличие внутренних (для системы) каналов передачи информации из блока анализа одной дисциплины в блок другой.

5. Обеспечение возможности проведения итерационных расчетов с участием блоков различных дисциплин, в рамках единой среды моделирования.

Можно выделить три уровня проектирования, соответствующих определенным этапам создания форсажных камер: формирование облика, детальное проектирование, разработка окончательного варианта.

Концепция создания программного комплекса «Afterburner» подразумевает его интеграцию с системами пространственного моделирования для реализации следующего (третьего) уровня проектирования.

Программный комплекс «Afterburner» предназначен для решения следующих задач:

1. формирование облика форсажной камеры,

2. детальный расчет,

3. оптимизация геометрии элементов проточной части камеры,

4. оптимизация распределения топлива в окружном и радиальном направлениях,

5. расчетное определение области устойчивой работы.

Рисунок 3 - Структура процесса проектирования форсажных камер

Программный комплекс «Afterburner», состоит из двух подсистем: «Формирование облика» (1 уровень) и «Детальный расчет» (2 уровень) для газодинамического и теплового анализа форсажных камер ТРДДФ.

Основной задачей подсистемы формирования облика является определение основных геометрических параметров форсажной камеры, выбор базовых схемных решений и предварительная оценка параметров технического совершенства.

Перечень решаемых задач для системы детального расчета гораздо шире, а требования к точности результатов существенно выше. На данном этапе осуществляется:

• газодинамический анализ элементов проточной части с использованием одномерных и квазидвумерных моделей;

• оптимизация геометрии смесителя с целью увеличения полноты сгорания;

• расчет распределения топлива по коллекторам с последующим расчетом распределения топлива по сечению камеры;

• расчет полноты сгорания с учетом имеющегося распределения топлива;

• оптимизация распределения топлива с целью получения требуемой полноты сгорания;

• анализ теплового состояния стенок (экранов, корпуса, кожуха);

• оптимизация геометрии тракта охлаждения и тепловых экранов с целью достижения возможно меньших температур корпуса и экранов;

• расчет диапазона устойчивой работы форсажной камеры;

• расчет антивибрационных экранов;

• расчетная оценка параметров пускового воспламенителя;

• уточненная оценка габаритно-массовых характеристик.

Для более наглядной демонстрации роли разрабатываемой системы в структуре процесса проектирования форсажных камер, рассмотрим IDEF диаграмму (рис. 3). Программный комплекс «Afterburner» обеспечивает потребность в инструментах газодинамического и теплового анализа форсажных камер на асех этапах предварительного проектирования. При определенной доработке системы возможно решение задач напряженно-деформированного состояния узлов форсажных камер, в том числе и перфорированных экранов.

При разработке программного комплекса «Afterburner» определенное внимание уделяется организации взаимодействия между подсистемами на уровне детального анализа и системами трехмерного моделирования процессов в форсажных камерах.

Библиотека модулей для уровня формирования облика состоит из следующих элементов: диффузор с плавной образующей, диффузор с внезапным расширением, смеситель кольцевой, смеситель лепестковый, топливные

и

I коллекторы (3 вида), система стабилизаторов (3 вида), воспламенитель, жаровая труба.

Руководствуясь схемой форсажной камеры, из модулей библиотеки собирают расчетную модель (пример приведен на рис. 4). Связь между модулями 1 обеспечивается «газодинамическим» информационным потоком, через который передаются газодинамические и геометрические параметры.

; а я 'т-о-^нш

I

I Рисунок 4 - Пример расчетной модели форсажной камеры в подсистеме "Формирование I облика"

I Подсистема детального расчета обеспечивает квазидвухмерный газодинамический расчет течения рабочего тела в смесителе, фронтовом | устройстве и жаровой трубе, одномерный расчет течения охлаждающего воздуха в канале тракта охлаждения и анализ теплового состояния стенок корпуса и жаровой трубы. По рассчитанным распределениям газодинамических параметров 1 с учетом распределения топлива по основным зонам возможно определение 1 области устойчивой работы форсажной камеры.

Библиотека основных элементов этой подсистемы отличается от библиотеки подсистемы «Формирование облика» как набором элементов, так и используемыми математическими моделями (рис. 5).

Рисунок 5 - Библиотека элементов подсистемы "Детальный расчет (газодинамика и

тепловое состояние)"

_От экрана

От ЖТ

-, те

X

К экрану

Рисунок 6 - Информационная модель элемента «Теплозащитный экран»

Структура связей конкретного элемента с другими элементами модели представлена информационной моделью. В качествен примера, приведена такая модель для модуля «Теплозащитный экран» (рис.6). Модуль обеспечивает анализ взаимодействия потоков в жаровой трубе и тракте охлаждения в зоне участка, снабженного перфорированным экраном, а также анализ температурного

состояния стенок экрана и корпуса. Каждому «входу» и «выходу» модел. соответствует определенный набор параметров.

В связи с широким спектром задач, решаемых при разработке форсажны камер, в системе предусмотрена возможность решения как прямых (проектировочных), так и обратных (поверочных) задач.

Хотя подсистема детального расчета, по своей сути, решает поверочные задачи, она вполне может быть использована и для решения проектировочных задач. Например, подбор величин загромождений проточной части тракта охлаждения креплениями экранов, определение доли воздуха на охлаждения экранов жаровой трубы, с целью ее минимизации, с учетом обеспечения требуемых температур экранов и необходимого расхода на охлаждение реактивного сопла.

В четвертой главе проанализировано использование программных комплексов ЗВ моделирования при разработке форсажных камер ВРД и проведено исследование возможности уточнения одномерных эмпирических моделей с их помощью. В системе А№У8 СРХ проведен расчет трех диффузоров (изоградиентного, конического, с цилиндрической и конической обечайками).

Погрешность расчетов коэффициента восстановления полного давления при сравнении с экспериментом была в пределах 1...6%, причем с ростом скорости потока величина погрешности растет. Распределение давлений и скоростей в проточной части соответствует основным закономерностям рабочего процесса в форсажной камере.

Для оценки точности одномерных моделей был проведен расчет этих диффузоров; погрешность при анализе коэффициента восстановления полного составила в среднем 3,5%.

Для диффузора с внутренней конической и наружной цилиндрической оболочкой было проведено уточнение одномерной модели по данным трехмерного расчета. После уточнения предлагается рассчитывать коэффициент гидравлических потерь по формуле

0,01

к -вэт— 2

'■-Г

0,66 эт V

+ —-—+

к.

'.-Г

V

Ш=с п)

£ Ьдю' \х/

где ка - коэффициент, равный отношению суммарного коэффициента потерь, рассчитанного по базовой методике, к среднему по диапазону скоростей коэффициенту полученному из ЗЭ расчета; кь - коэффициент, полученный в результате решения уравнения (1) при известном ка; апр — приведенный угол раскрытия диффузора; пд - степень расширения диффузора; - угол поворота потока.

При этом предполагалось, что доля слагаемых, оценивающих потери полного давления на трение и поворот, остается постоянной, а слагаемое,

соответствующее потерям на расширение, необходимо уточнить. Результаты уточнения приведены на графике (рис 7).

Полученный результат позволяет использовать предложенную методику уточнения соотношений для одномерной модели коэффициента восстановления полного давления в диффузорах произвольных конфигураций по результатам 3-х мерного численного моделирования.

0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75

Число Маха

Рисунок 7 - Зависимость коэффициента восстановления полного давления от скорости потока в

диффузоре

В пятой главе приведены результаты расчетов форсажной камеры ТРДЦФ 4-го поколения на этапах формирования облика и детального расчета, а также расчет теплового состояния стенок основной камеры сгорания ТРДЦФ.

Расчетная модель для подсистемы «Формирования облика» приведена на рисунке 4.

Сопоставляя полученные результаты с данными реальной форсажной камеры, можно заключить, что погрешность расчетов в подсистеме формирования облика при определении газодинамических параметров составляет от 0,3 до 8%, при определении геометрических параметров не выше 5%.

Детальный расчет (модель дана на рисунке 8) был произведен для стендового и высотного режимов с подбором доли подаваемого в разделители воздуха и загромождений проточной части тракта охлаждения с целью обеспечения допустимого теплового режима стенок и расхода воздуха на выходе, требуемого для охлаждения сопла.

На рисунках 9, 10 приведены некоторые результаты детального расчета

форсажной камеры ТРДДФ.

0.50 0.45 0.40 0.35 050 025 020 0.15 0.10 0.05 0.00

0 Q2 0.4 0.6 0.8 1

дплнз м

Рисунок 9 - Изменение приведенных скоростей в жаровой трубе и тракте охлаждения по длине форсажной камеры.

1 ------

0.9-----т—---—--

0.8:--—-

0.7---И ----—--

0.6--iC------,-

04 -«—Температура экрана -«—Температура корпуса

Q 3______

а Температура экрана (э) X Температура корпуса (э)

0.2 - i i i — i i

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

длина, м

Рисунок 10 - Распределение относительных температур корпуса и экранов по длине форсажной камеры

Проведенный с помощью системы «Afterburner» анализ форсажной камеры ТРДДФ на разных уровнях проектирования (формирование облика и детальный расчет) выявил удовлетворительное соответствие результатов расчета и экспериментальных данных, что свидетельствует об адекватности моделей отдельных модулей системы, корректности моделирования схемы проточной части форсажной камеры и корректности формирования законов расчета и необходимых упрощений. Определенная погрешность в расчете температуры элементов конструкции форсажной камеры связана с неучетом теплопередачи вдоль стенок жаровой трубы. В среднем погрешность тепловых и газодинамических расчетов на этапе детального проектирования не превышает 5...7%.

На конкретном примере показана возможность использование системы «Afterburner» при доводке форсажной камеры.

В шестой главе рассмотрены пути развития системы «Afterburner».

Л

JÍ д

-■—н ■ ■-—

—♦— Температура экрана Темпераггура корпуса а Температура экрана (э) X Температура корпуса (э)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведенный анализ методов моделирования форсажных камер ВРД показал необходимость разработки универсального одномерного метода для использования на начальных стадиях разработки. Обосновано применение модульного метода для математического моделирования процессов в форсажных камерах ВРД.

2. Предложен способ декомпозиции форсажных камер на отдельные элементы по функциональным признакам. Разработаны информационные и математические модели этих элементов.

3. Сформулированы основные принципы построения многодисциплинарных систем для проектирования форсажных камер.

4. С использованием этих принципов на основе модульного метода разработана многодисциплинарная двухуровневая система «Afterburner» для моделирования форсажных камер ВРД. Система состоит из подсистем «Формирование облика» и «Детальный расчет», каждая из которых включает библиотеку основных модулей (элементов), информационные потоки, законы расчета.

5. Исследование эффективности использования .программного комплекса трехмерного газодинамического моделирования (ANSYS CFX) с целью частичной замены натурного эксперимента численным экспериментом показало, что для диффузоров форсажных камер расхождение опытных и расчетных данных составляет в среднем 3,5%. Это позволило разработать методику уточнения модели одномерного расчета на основе данных трехмерного моделирования.

6. В разработанной системе «Afterburner» выполнен анализ форсажных камер ТРДДФ на этапах формирования облика и детального расчета, получены геометрические размеры проточной части, параметры рабочего тела по тракту, параметры технического совершенства, температуры экранов и стенок жаровой трубы. Сравнение результатов с экспериментальными данными, показало, что точность расчетов удовлетворяет требованиям этапа предварительного проектирования.

7. Применение системы «Afterburner» позволяет повысить эффективность процесса разработки форсажных камер за счет уменьшения времени проектирования и повышение обоснованности принятых решений путем анализа большого числа вариантов.

8. Система внедрена в процесс разработки форсажных камер на ФГУП «НЛП «Мотор» и в учебный процесс ГОУ ВПО УГАТУ.

Основное содержание и результаты диссертационной работы отражены в следующих публикациях:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Сенюшкин, Н.С. Система многодисциплинарного анализа процессов в форсажной камере ВРД. / В.Ф. Харитонов, Н.С. Сенюшкин // Вестник СГАУ №2

(10), часть 1.- Самара: изд. СГАУ, 2006, -C.193-I98

2. Сенюшкин, Н.С. Применение модульного метода при моделировании проектировании камер сгорания ВРД 1 В.Ф. Харитонов, Н.С. Сенюшкин Вестник УГАТУ, т. 11, №2(28). -Уфа: изд. УГАТУ, 2008, - С.39-47.

Прочие публикации

3. Сенюшкин, Н.С. Многодисциплинарные системы проектирования каме сгорания газотурбинных двигателей. / В.Ф. Харитонов, Н.С. Сенюшкин, А.В Вищев // Информационные технологии в образовании, технике и медицине Материалы международной конференции. В 3-х т. Т.2. - Волгоград, изд ВолгГТУ, 2004. - С. 298 - 302.

4. Сенюшкин, Н.С. Разработка версии системы «Камера» да двухдисциплинарного (газодинамического и теплового) анализа основных каме сгорания. / В.Ф. Харитонов, Сенюшкин Н.С. // Двигатели XXI века: Сборник 2-Международной научно-технической конференции, ЦИАМ, 6...9 декабря 2005 г - М, изд. ЦИАМ, 2005, т.2, - С.25-27.

5. Сенюшкин, Н.С. Система многодисциплинарного анализа форсажны камер ТРДДФ - Afterburner/ В.Ф. Харитонов, Н.С. Сенюшкин // Проблемы перспективы авиационного двигателестроения: Научный сборник. - Уфа: изд. УГАТУ, 2007.-С.81-86.

6. Сенюшкин, Н.С. Двухуровневая система многодисциплинарного анализа процессов в форсажной камере / Сенюшкин Н.С., Харитонов В.Ф. // Аэрокосмическая техника и высокие технологии — 2007: Сборник докладов X Всероссийской научно-технической конференции. - Пермь, изд. ПГТУ, 2007.-С.256-258.

7. Сенюшкин, Н.С. Моделирование рабочего процесса в элементах газотурбинных двигателей на основе модульного метода. / В.Ф. Харитонов, Н.С. Сенюшкин // Альманах современной науки и образования. №7(14): Серия "Математика, физика, строительство, архитектура, технические науки и методы их преподавания",- Тамбов, изд-во: Грамота, 2008. - С.183-186.

8. Сенюшкин, Н.С. Модульная квазидвухмерная система детального расчета форсажной камеры ТРДДФ / В.Ф. Харитонов, Н.С. Сенюшкин // Аэрокосмическая техника, высокие технологии, инновации - 2008: Сборник докладов XI Всероссийской научно-технической конференции- Пермь, изд. ПГТУ,2008.-С. 356-358.

9. Сенюшкин, Н.С. Использование численного моделирования для уточнения одномерных оценочных методик расчета форсажных камер ТРДДФ / В.Ф. Харитонов, Н.С. Сенюшкин // Мавлютовские чтения: Всероссийская молодежная научная конференция посвященная 76 летию УГАТУ. Сборник. Том I. - Уфа, изд. УГАТУ, 2008., - С.62 - 63.

Диссертант

Сенюшкин Н.С.

Сешошкин Николай Сергеевич

МЕТОД ПРОЕКТИРОВАНИЯ ФОРСАЖНЫХ КАМЕР ДЛЯ НАЧАЛЬНЫХ СТАДИЙ РАЗРАБОТКИ ВРД

Специальность 05.07.05 - Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати 26.06.2009 Формат 60x81 1/16. Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Times New Roman. Усл. печ. л. 1,0. Усл. кр.-огт. 0,9. Уч.-изд. л. 0,9. Тираж 100 экз. Заказ N»317.

ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет Центр оперативной полиграфии 450000, Уфа-центр, ул. К.Маркса, 12.

Условные обозначения

Условные сокращения

Введение

1 Методы используемы при моделировании камер сгорания

1.1 Математическое моделирование

1.2 Струйный метод

1.3 Последовательно-одномерный подход

1.4 Сетевой метод

1.5 Методы механики сплошных сред

1.6 Экспериментальные исследования форсажных камер

1.7 Цель и основные задачи работы

2 Моделирование форсажных камер с использованием модульного 37 метода

2.1 Понятия и принципы модульного метода

2.2 Математические модели элементов

2.2.1 Канал смесителя

2.2.2 Смеситель лепестковый

2.2.3 Диффузор

2.2.4 Камера смешения

2.2.5 Теплозащитный экран

2.2.6 Камера (этап формирования облика)

2.3 Точность и обоснованность выбора математических моделей

3 Двухуровневая система моделирования форсажных камер ВРД

3.1 Программный комплекс САМСТО как инструмент для разработки 60 системы Afterburner

3.2 Двухуровневая много дисциплинарная система моделирования 61 форсажных камер ВРД

3.3 Система «Afterburner»: Подсистема Формирование облика

3.4 Система «Afterburner»: Подсистема Детальный расчет

3.5 Используемый численный метод

3.6 Информационные модели элементов подсистемы «Формирования 74 облика»

3.7 Информационные модели элементов подсистемы «Детальный 82 расчет»

3.8 Законы расчета

3.9 Процедура решения задач в системе «Afterburner»

3.9.1 Формирование расчетной схемы

3.9.2 Задание входных данных

3.9.3 Выбор и составление закона расчета

3.9.4 Расчет

3.9.5 Просмотр результатов расчета

3.10 Проектировочные и поверочные задачи в система «Afterburner»

3.11 Возможности системы «Afterburner»

4 Использование систем 3-D анализа при проектировании ФК

4.1 Вычислительная гидрогазодинамика

4.2 Взаимодействие систем 3-D анализа с системами предварительного 103 и детального расчета

4.3 Расчет диффузора ФК в системе ANSYS CFX

4.4 Уточнение одномерных моделей на основе трехмерного расчета

5 Расчет форсажной камеры ВРД в системе «Afterburner»

5.1 Расчет основной камеры сгорания в системе «Камера 4.00»

5.2 Формирование облика форсажной камеры

5.3 Детальный расчет форсажной камеры

5.4 Использование программного комплекса Afterburner при доводке 136 форсажных камер ВРД

6 Пути развития системы Afterburner 139 Основные выводы и результаты 143 Список литературы

Условные обозначения:

D — наружный диаметр, м;

Е - разность между количеством тепла, подведенным к узлу, и совершенной работой (сетевой метод), Дж; F - площадь, м2;

G,m - расход, расход воздуха, кг/с;

G - отношение расхода воздуха в кольцевом канале к расходу на входе в камеру;

Ни - низшая теплотворность топлива, Дж/кг; J — энтальпия, Дж/кг; L - длина, м;

Lq - стехиометрический коэффициент, кг воздуха/кг топлива; N - количество поясов отверстий; Q - объемный расход, м /с; R - газовая постоянная, Дж/кгК; Re - число Рейнольдса,

Т, Т* — температура статическая и заторможенная, К; U,w~ скорость потока, м/с;

UMo - скорость распространения пламени по молю в начальный момент времени, м/с;

U„6 - скорость нормального распространения пламени, м/с; а — скоростной напор воздуха в диффузоре и кольцевых каналах, Па;

Ъ — относительное статическое давление;

Cf— коэффициент потерь, обусловленных трением; ср — удельная теплоемкость, Дж/кгК; сг — коэффициент потерь при обтекании загромождении; ст — концентрация топлива; d - внутренний диаметр, м;

- площадь отверстий, м2; g — расход через отверстия, кг/с; h - высота сечения, м; i — номер пояса отверстий; к — показатель адиабаты; / — масштаб турбулентности, м; т — коэффициент в уравнении расхода воздуха (газа); п - степень расширения; р — статическое давление, Па; р* — полное давление, Па; q — скоростной напор, Па; s - относительная площадь загромождений в кольцевом канале; t — время, с; w' — пульсационная скорость, м/с; х - расстояние между поясами отверстий, м; Ар — перепад давления, Па; ох - максимальная неравномерность поля температур на выходе из камеры сгорания; П - периметр, м; а — коэффициент избытка воздуха; у3— угол наклона стенок жаровой трубы, град; у- угол выдува потока из патрубка в газовый тракт, град; (р - угол поворота потока, град;

5— эквивалентная шероховатость стенок кольцевого канала, м; s — интенсивность турбулентности;

77 - полнота сгорания топлива;

X — приведенная скорость; л - коэффициент расхода; v - кинематическая вязкость, м2/с; — коэффициент сопротивления; р— плотность, кг/м3; а — коэффициент сохранения полного давления.

Индексы:

0 — начальное значение;

1 - первый участок диффузора, г — номер пояса отверстий; вн — сечение внезапного расширения; вх — вход; вых — выходное сечение; г - газ (продукты сгорания), гидравлический диаметр; д - диффузор; ж — жаровая труба; к -сечение на входе в камеру сгорания; кс - камера сгорания; р — расчетное значение; т — топливо; фр - фронтовое устройство; ц — центральный канал в разделителе; э - экспериментальное значение.

Условные сокращения

ВРД - воздушно-реактивный двигатель; ГТД - газотурбинный двигатель; ГТУ - газотурбинная установка; ЖТ - жаровая труба;

PC — реактивное сопло;

ТО -тракт охлаждения;

ТРД - турбореактивный двигатель;

ФК - форсажная камера

Форсажная камера сгорания, как один из основных узлов воздушно-реактивного двигателя для сверхзвуковых самолетов, играет существенную роль в обеспечении его технических характеристик. Несмотря на кажущуюся простоту устройства (отсутствие вращающихся и подвижных элементов, большого числа деталей), рабочий процесс в форсажной камере весьма сложен. Он представляет собой совокупность физико-химических процессов, протекающих в потоке движущегося реагирующего высокотемпературного газа практически одновременно и влияющих друг на друга: течение газообразной среды, теплообмен, распыливание и испарение топлива, смесеобразование, воспламенение, горение, смешение газа из-за; турбины с воздухом второго контура на входе ФК. Экспериментальное исследование этих процессов требует решения ряда системных проблем, связанных с измерениями в высокотемпературном потоке реагирующего газа, что представляет технические сложности и- ведет к значительным' финансовым затратам. В связи с этим, форсажная камера трудно поддается моделированию с использованием аналитических и численных методов.

Требования, предъявляемые к форсажным камерам:

• обеспечение устойчивого процесса горения (без вибрационного горения и погасания) во всем диапазоне форсированных режимов работы двигателя;

• высокая полнота сгорания форсажного топлива, реализуемая в заданных длинновых габаритах;

• минимальные гидравлические потери на всех режимах работы двигателя, а также минимальные потери полного давления при подводе тепла в форсажной камере;

• надежный запуск без значительных возмущений в газовоздушном тракте, влияющих на режим работы турбокомпрессора;

• минимальное время выхода на режим максимального форсирования;

• высокая надежность конструкции.

Рабочий процесс форсажной камеры [50], по сравнению с основной камерой, отличается следующими особенностями.

1. Высокая температура во всем рабочем объеме камеры,

2. Более высокая скорость потока, более высокая температура и более низкий уровень давлений на входе в камеру,

3. Неравномерность параметров потока перед фронтовым устройством, существенно возрастающая в двухконтурных двигателях,

4. Низкое содержание кислорода в рабочем теле за турбиной.

В этих условиях усложняется решение проблем обеспечения требуемого уровня полноты сгорания и предотвращения вибрационного горения.

Создание, а тем более доводка форсажных камер ВРД, требует проведения большого объема сложных и ресурсоемких экспериментов. Вследствие этого, разработка эффективных методов и средств моделирования ФК для каждого этапа проектирования является актуальной задачей.

Сложная структура рабочего процесса форсажных камер диктует необходимость разработки систем моделирования, позволяющих решать задачи инженерного анализа в области различных дисциплин -газодинамики, горения, теплообмена, прочности, надежности и долговечности, то есть многодисциплинарных систем анализа.

Как и для любого сложного изделия, процесс проектирования форсажных камер имеет многоуровневый характер, заключающийся в последовательном усложнении используемых математических моделей с одновременным увеличением их размерности при переходе с одного уровня (этапа) на другой.

Для того чтобы проверить соответствие создаваемого узла - форсажной камеры - всем предъявляемым требованиям, уже на этапе проектирования необходимы апробированные, адекватные модели для интегральных характеристик камеры, основных элементарных процессов, отдельных функциональных элементов, а также соответствующие методы проектирования.

Сложность процессов, широкий спектр разнообразных факторов, определяющих закономерности их протекания, трудности при проведении экспериментальных исследований не позволили к настоящему времени создать комплекс надежных математических моделей, обеспечивающих потребности всех этапов проектирования.

В связи с этим- трудоемкий процесс создания форсажных камер ВРД включает как расчетно-конструкторские работы, так и численное моделирование, экспериментальные исследования на моделях, натурных образцах и, наконец, доводку (самый сложный и длительный этап). Так как все составляющие элементы рабочего процесса протекают в потоке движущегося газа, большое внимание уделяется исследованию и моделированию газодинамики форсажных камер.

Особое место при разработке ФК занимают начальные этапы проектирования (техническое предложение и эскизный проект). Именно на них закладывается облик будущей камеры, выбирается тип и размеры основных элементов (геометрия диффузора, тип и эшелонирование стабилизаторов, длина и максимальный диаметр - ФК), проводятся первые предварительные детальные расчеты (газодинамические, тепловые, прочностные). Чем точнее оценки и результаты, полученные на этих этапах, тем меньше продолжительность и, соответственно, стоимость последующих стадий разработки, особенно доводки.

В связи с вышеизложенным, разработка инженерных методов и средств математического моделирования камер сгорания и их элементов для использования на этапах предварительного проектирования и доводки по-прежнему является актуальной задачей.

Среди методов, используемых для моделирования камер сгорания, необходимо отметить модульный метод, основные принципы которого изложены в статье [19]. Преимущества этого метода - универсальность, гибкость, производительность, умеренные требования к вычислительным ресурсам - позволяют рассматривать его, как перспективный базовый метод для разработки многодисциплинарных многоуровневых систем моделирования камер сгорания.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка и реализация метода предварительного проектирования форсажных камер, основанного на использовании многодисциплинарной двухуровневой системы их моделирования и анализа.

Для достижения данной цели решены следующие задачи:

- проведен сравнительный анализ методов, используемых при моделировании форсажных камер; обоснована целесообразность применения модульного метода;

-разработана структура подсистемы,формирования облика форсажных камер ВРД, включая библиотеку типовых элементов, информационные потоки, математические модели и алгоритмы, наборы входных и выходных данных;

-разработана структура подсистемы детального (газодинамического и теплового) моделирования форсажных камер ВРД, включая библиотеку типовых элементов, информационные потоки, математические модели и алгоритмы, наборы входных и выходных данных;

-разработана методика- решения задач формирования облика, детального (газодинамического и теплового) анализа форсажных камер различных конструктивных схем;

- произведено тестирование разработанной системы на задачах формирования облика, газодинамического и теплового анализа форсажных камер на соответствующих стадиях процесса разработки авиационного двигателя;

- исследована возможность уточнения используемых математических моделей элементов с помощью программных комплексов трехмерного газодинамического и теплового моделирования. Предложен метод уточнения одномерных моделей на основе данных трехмерного расчета.

Научная новизна

- для моделирования форсажных камер на начальных стадиях разработки впервые применен модульный метод;

- впервые разработана структура многодисциплинарной двухуровневой системы моделирования форсажных камер ВРД, включающая библиотеки основных модулей для двух уровней, информационные потоки, законы расчета;

- разработаны информационные модели основных модулей;

- предложена новая методика организации взаимодействия одномерного и трехмерного расчетов с целью уточнения математической модели в процессе решения задачи.

На защиту выносятся:

1. Основные принципы формирования многодисциплинарной многоуровневой системы моделирования форсажных камер ВРД на основе модульного метода.

2. Структура многодисциплинарной двухуровневой системы анализа форсажных камер ВРД.

3. Информационные модели основных модулей системы.

4. Результаты анализа форсажной камеры ТРДДФ на разных этапах проектирования, сравнение расчетных и экспериментальных данных.

5. Результаты проверки эффективности использования программного комплекса ANSYS CFX (проведение численного эксперимента) с целью частичной замены натурного эксперимента.

6. Методика уточнения модели одномерного расчета на основе данных трехмерного моделирования на примере диффузора форсажной камеры.

Практическая значимость и внедрение результатов

Разработана многодисциплинарная двухуровневая система газодинамического и теплового моделирования и анализа форсажных камер ВРД, которая может быть использована на этапах разработки технического предложения, эскизного проектирования, а также доводки форсажных камер ВРД. Практическая ценность работы состоит в следующем:

- на этапе проектирования — в повышении качества и сокращения времени проектирования за счет увеличения количества просматриваемых вариантов; более детального и всестороннего анализа каждого проектного решения; появления возможности решать задачи, возникающие при проектировании нового поколения авиационных двигателей, при непрерывном совершенствовании используемых в, системе математических моделей;

- на этапе исследований - в возможности анализа работы форсажной камеры на всех режимах для различных стадий проектирования и замены ряда экспериментов, связанных с натурными испытаниями на дорогостоящих установках, математическим моделированием;

- в учебном процессе — в возможности газодинамического и теплового моделирования форсажных камер ВРД при выполнении лабораторных работ, в курсовом и дипломном проектировании.

Результаты диссертационной работы внедрены в ФГУП "НПП "Мотор" и в учебный процесс ГОУ ВПО УГАТУ.

Апробация результатов работы

Основные результаты работы докладывались на IX Всероссийской научно- технической конференции (Н. Новгород, 2003), всероссийской молодежной научно-технической конференции «Проблемы современного машиностроения» (Уфа, 2004), международных конференциях «Информационные технологии в образовании, технике и медицине». (Волгоград, 2004, 2006), Международной НТК в ЦИАМ (Москва, 2005), НТК «Королевские чтения» (Самара, 2006), X, XI и XII Всероссийских НТК Аэрокосмическая техника и высокие технологии (Пермь, 2007, 2008, 2009), НТК молодых специалистов, инженеров и техников, посвященной годовщине образования ОАО «УМПО» (Уфа, 2007), Всероссийских молодежных научных конференциях "Мавлютовские чтения» (Уфа, 2007, 2008), Результаты работы обсуждены в бригаде форсажных камер и выходных устройств «ФГУП «НПП Мотор» и используются там при разработке перспективных авиационных двигателей.

Работа отмечена Дипломом как лучшая исследовательская работа в области информационных технологий- на НТК молодых специалистов, инженеров и техников, посвященной годовщине образования ОАО «УМПО» (Уфа, 2007).

Работа выполнена на кафедре авиационных двигателей ГОУ ВПО Уфимского государственного авиационного технического университета.

1 Методы используемые при моделировании камер сгорания

Основные выводы и результаты

1. Проведенный анализ методов моделирования- форсажных камер ВРД показал необходимость разработки универсального одномерного метода для использования на этапе предварительного проектирования. Обосновано применение модульного метода для моделирования процессов в форсажных камерах ВРД.

2. Предложен способ декомпозиции форсажных камер на отдельные элементы по функциональным признакам. Разработаны информационные и математические модели этих элементов.

3. Сформулированы основные принципы построения многодисциплинарных систем для проектирования форсажных камер.

4. С использованием этих принципов на основе модульного метода разработана многодисциплинарная двухуровневая система «Afterburner» для моделирования форсажных камер ВРД. Система состоит из подсистем «Формирование облика» и «Детальный расчет», каждая из которых включает библиотеку основных модулей (элементов), информационные потоки, законы расчета.

5. Исследование эффективности использования программного комплекса трехмерного газодинамического моделирования (ANSYS CFX) с целью частичной замены натурного эксперимента численным экспериментом показало, что для диффузоров форсажных камер расхождение опытных и расчетных данных не превышает 7 %. Это позволило разработать методику уточнения модели одномерного расчета на основе данных трехмерного моделирования.

6. В разработанной системе «Afterburner» выполнен анализ форсажных камер ТРДДФ на этапах формирования облика и детального расчета, получены геометрические размеры проточной части, параметры рабочего тела по тракту, параметры технического совершенства, температуры экранов и стенок жаровой трубы. Сравнение результатов с экспериментальными данными, показало, что точность расчетов удовлетворяет требованиям этапа предварительного проектирования.

7. Применение системы «Afterburner» позволяет повысить эффективность процесса разработки форсажных камер за счет уменьшения времени проектирования и повышение обоснованности принятых решений путем анализа большого числа вариантов.

8. Система внедрена в процесс разработки форсажных камер на ФГУП «НПП «Мотор» и в учебный процесс ГОУ ВПО УГАТУ.

1. Абрамович Г.Н. Упрощенная газодинамическая модель камеры сгорания для идеальной жидкости с подводом тепла // Изв. вузов. Авиационная техника. 1995.№1. С.37-42.

2. Авиационный двигатель АЛ-31Ф. Назначение и устройство узлов, агрегатов и систем: Учеб. пособие /В.Ф.Харитонов, Л.Н.Тархов; УГАТУ. Уфа, 1994, 94 с.

3. Алексеев Ю. С. Проектирование форсажных камер и реактивных сопел ВРД. Рукопись. Уфа, 2005., 132 с.

4. Ахмедзянов A.M., Кожинов Д.Г. Система конструирования среды для математического моделирования сложных технических систем // Изв. вузов. Авиационная техника. 1994. №1. С.54-58.

5. Аэродинамическая стабилизация пламени в форсажных камерах ТРДФ -Под ред. Лебедева Б.П. Труды ЦИАМ, №781, 1977, 32 с.

6. Безменов В.Я. Методика гидравлического расчета камер сгорания ГТД на ЭВМ // Технический отчет ЦИАМ №6759, 1971. 96 с.

7. Борисенко А.И. Газовая динамика двигателей. М.: Оборонгиз, 1962. 468с.

8. Выбор схемы форсажной камеры ВРД: Учебное пособие / Лукачев В.П.-Куйбышев: Изд-во КуАИ, 1982.-63с.

9. Галюн И. И. Потери полного давления в кольцевом диффузоре за смесителем применительно к форсажной камере ТРДДФ.-М.: ЦИАМ, 1985.; 29см.-(ЦИАМ.Труды; Вып.1133), 8 с.

10. Горбатко А. А. О механизме стабилизации пламени при подаче топлива или топливовоздушной смеси в зону циркуляции за плохо обтекаемым телом.-М.: ЦИАМ, 1983.-7 е.; (ЦИАМ.Труды; Вып.1082).

11. Гриценко Е.А. и др. Газодинамическое совершенствование диффузоров камер сгорания двигателей семейства НК // Международная научная конференция "Двигатели XXI века", посвященная 70-летию ЦИАМ, сборниктезисов докладов Москва, 2000. - С. 187-188.

12. Демидов С.А. Исследование течения и определение потерь полного давления в круглых, плоских, и кольцевых диффузорах. Технический отчет №116 //Москва, ЦИАМ, 1960

13. Иделъчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1992. 168с.

14. Илъяшенко С.М., Талантов А.В. Теория и расчет прямоточных камер сгорания. М.: Машиностроение, 1964. 306с.

15. Иноземцев А.А., Нихамкин М.А., Сандрацкий В.Д. Газотурбинные двигатели. Основы конструирования АД и ЭУ. М., Машиностроение, 2007, 396 с.

16. Ковнер Д.С. и др. Расчет и проектирование камер сгорания воздушно-реактивных двигателей в САПР. М.: МАИ, 1989. 52с.

17. Кожинов Д.Г. Применение метода Ньютона для решения задачи параметрического синтеза при моделировании технических объектов // рукописная работа, 2000. 4с.

18. Коновалова А.В., Харитонов В.Ф, Кожинов Д.Г. Система газодинамического анализа камер сгорания ГТД // Изв. вузов. Авиационная техника: 2000, №4. - С.58-60.

19. Конструкция и проектирование авиационных ГТД // Под ред. Хронина Д.В. М.: Машиностроение, 1989. 566с.21 .Кривошеее И.А. Формализация процесса проектирования и доводки двигателей с использованием CASE-технологии М: Изд-во МАИ, 2008.- 128с.

20. Лебедев Б. 77. О влиянии смешения на процесс горения топлива в первичной зоне камеры сгорания ГТД. Труды ЦИАМ №1010, 1982г. 22с.

21. Лебедев Б. П., Соркин Л.И., Галюн И.И., Брюшков Д.А. Экспериментальное исследование диффузоров форсажных камер ТРД. Труды ЦИАМ 278, Москва, 1958. 28с.

22. Ледовская Н.Н. Некоторые способы повышения эффективности кольцевого диффузора с большим углом раскрытия.' Труды ЦИАМ №1112, Москва, 1984. 14 с.

23. Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД // Пер. с англ. М.: Мир. 1986. 566с.

24. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.:'Наука, 1987. 840с.

25. Майорова А. И. Методика и результаты расчетов течений в каналах с внезапным расширением.-М.: ЦИАМ, 1980.-32 е.; 29см.-(ЦИАМ.Труды; Вып.883)

26. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики. М.: Наука, 1989. 214с.

27. Мингазов Б.Г. Внутрикамерные процессы и автоматизированная доводка камер сгорания ГТД. Казань: изд. КГТУ, 2000. 168с.

28. Мингазов Б.Г., Явкин В.Б. Моделирование процессов в камерах сгорания ГТД // Известия вузов. Авиационная техника, 1995, №1. С.47-50.

29. Основы проектирования и характеристики газотурбинных двигателей. Под ред. Хауторна У.Р. и Олсона У.Т. //Пер. с англ. М.: Машиностроение, 1964. 648с.

30. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкостей. М.: Энергоатомиздат, 1984. 150с.

31. Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П. Введение в системный анализ. М.: Высш. шк., 1989. 367с.

32. Политехнический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1989. 311 с.

33. Померанцев В.В., Арефьев К.М., Ахмедов Д.В. и др. Основы практической теории горения. Л.: Энергоатомиздат, 1986. 312с.

34. Проектирование авиационных газотурбинных двигателей // Учебник под ред. Ахмедзянова A.M. М.: Машиностроение, 2000. 454с.

35. Проектирование камер сгорания: учеб. пособие / В.Ф.Харитонов; Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. Уфа: УГАТУ, 2008.-138 с.

36. Проектирование камер сгорания: Лабораторный практикум / Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. Сост.: В.Ф.Харитонов, Н.С.Сенюшкин, А.В.Коновалова, А.В.Вишев, С.С.Евремов. Уфа, 2008. - 35 с.

37. Пчелкин Ю.М. Камеры сгорания газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1984. 279с.

38. Разработка мероприятий по улучшению экономичности и снижению массы форсажной камеры изд.20 на основе расчетов ее характеристик. Технический отчет по договору №549-005 с ФГУП «НПП «Мотор» от 25.01.2001 -ЦИАМ, М: 2001.

39. Результаты пространственного расчета течения применительно к форсажной камере изд.20. Техническая справка по договору №549-05 с ФГУП

40. НПП «Мотор» от 25.01.2001 ЦИАМ, М: 2001.

41. Раушенбах Б.В., Белый С. Д. Физические основы рабочего процесса в камере сгорания воздушно-реактивного двигателя. М.: Машиностроение, 1964. 526с.

42. Рекин А. Д., И.Ю.,Доктор Экспериментальное определение конвективного теплообмена на стенках V-образного стабилизатора пламени. Труды ЦИАМ №601, Москва, 1973. 5 с.

43. Руководящий технический материал авиационной техники РТМ-1626-80 "Камеры сгорания ГТД. Метод поверочного гидравлического расчета на ЭВМ", 1980. 32с.

44. САМСТО 1.17. Система- автоматизированного моделирования сложных технических объектов // Руководство пользователя. Уфа: УГАТУ, 2000. 35с.

45. Сиразетдинов Т.К., Костерин В.А. Одномерная динамическая модель процесса горения в камере ВРД // Изв. вузов. Авиационная техника 1999. № 3. -С.59-63.

46. Сенюшкин Н.С., Харитонов В.Ф. Система многодисциплинарного анализа форсажных камер ТРДДФ Afterburner// Проблемы и перспективы авиационного двигателестроения: Научный сборник// УГАТУ - Уфа: УГАТУ,2007. - 147с.

47. Сенюшкин Н.С., Харитонов В.Ф. Применение модульного метода при моделировании1 и проектировании камер сгорания ВРД / В.Ф. Харитонов, Н.С. Сенюшкин // Вестник УГАТУ, т. 11, №2(28). -Уфа: изд. УГАТУ, 2008, -С.39-47.

48. Сергелъ О.С. Прикладная гидрогазодинамика. -М.: Машиностроение, 1981. -374 с.

49. Серегин А2.Н., Воронов JI.B. Конструкция газотурбинных двигателей. Форсажная камера авиационного ТРДДФ Д-30Ф6. Учебное пособие / Перм. гос. техн. ун-т. Пермь, 2006. - 27 с.

50. Скубачевский Г. С. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей. -.М: Машиностроение, 1981. 550с.

51. Современный словарь иностранных слов. М.: Рус. Яз., 1993. -389с.

52. Сполдинг Д.В., Серег-Элдин М.А. Расчеты трехмерных течений в камере сгорания газовой турбины // Энергетические машины, 1979, т. 101, №3. -С.28-3 7.

53. Талантов А.В. Горение в потоке. М., Машиностроение, 1978, 160 с.

54. Технический отчет №208212104. Разработка поверочного расчета на ЭВМ ЕС-1022 системы охлаждения ФК ТРДДФ, 1982. 86 с.

55. Техническая справка по термометрированию основных конструктивных элементов форсажной камеры и регулируемого сверхзвукового сопла изд. «99». 99.12.73ТС., 1982. 24с.

56. Трехмерное численное моделирование рабочего процесса в ФК ВРД. Технический отчет о НИР ФГУП «ВОПП «Мотор», Уфа, 2007. 31 е.,

57. Турчак Л.И. Основы численных методов: Учеб. пособие. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987.-320с.

58. Термодинамические и теплофизические свойства.продуктов сгорания. Т. 1 / Под ред. В.П. Глушко. М.: ВИНИТИ, 1971. 266с.

59. Тунаков А.П., Кривошеее И.А., Ахметзянов Д.А. САПР газотурбинных двигателей: Учебное пособие / Уфа: УГАТУ, 2005. 272 с.

60. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкости. М.: Мир, 1991. ч.1 и 2.

61. Харитонов В. Ф. Методы, используемые при моделировании камер сгорания ГТД // Изв. вузов. Авиационная техника: 2001, №3. - С.23-25.

62. Численное моделирование нестационарных явлений в газотурбинных двигателях: Научное издание / Августинович В:Г., Шмотин Ю.Н. и др. М.: Машиностроение, 2005. - 536 с.

63. Щукин В. А., Рогожин Б.А., Янковский В.М. Предварительный расчет форсажной камеры сгорания ГТД. Казань: изд. КАИ, 1981. 44с.

64. Aerothermodynamics of aircraft engine components. Edited by G. O. Oates. Published by AIAA, 1985. 55Ip.

65. Anderson J.D, Computational Fluid Dynamics. The basics with applications. // McGraw-Hill Intern. Editions. 1995. 548p.

66. Gay В., Middleton P. The solution of pipe network problems // Chem. Eng. Sci., V.26, 1971.-Pp. 109-123.

67. Greyvenstein G.P., Laurie D.P. Segregated CFD approach to pipe network analysis // Litem. Journal for Numerical Methods in Engineering vol.37, 1994. - Pp. 3685-3705.

68. Mongia H.C. Combustion modeling in design process: application and future direction. // AIAA paper, 1994, №0466, 48p.

69. RizkN.K., Mongia H.C. Tree-dimensional analysis of gas turbine combustors // Journal of Propulsion and Power, V. 7, 1991. Pp. 445-451.

70. Stuttaford PJ., Rubini P.A. Assessment of a radiative heat transfer model for gas turbine combustor preliminary design // Journal of Propulsion andPower, V. 14, 1998. Pp. 66-73.

71. Stuttaford P.J., Rubini P.A. Preliminary gas turbine combustor design using a network approach // Transactions of ASME: Journal of Engineering of Gas Turbines and Power, vol.1 19, July, 1997. Pp.546-552