автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Методы и автоматизированные средства выбора рациональных параметров рабочего процесса унифицированного газогенератора и семейства газотурбинных двигателей, создаваемых на его базе

На правах рукописи

РЫБАКОВ ВИКТОР НИКОЛАЕВИЧ

МЕТОДЫ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СРЕДСТВА ВЫБОРА

РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА УНИФИЦИРОВАННОГО ГАЗОГЕНЕРАТОРА И СЕМЕЙСТВА ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ, СОЗДАВАЕМЫХ НА ЕГО БАЗЕ

05.07.05 - Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

005536072

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)» (СГАУ) на кафедре теории двигателей летательных аппаратов

Научный руководитель: Кузьмичев Венедикт Степанович,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Августинович Валерий Георгиевич,

доктор технических наук, профессор, ОАО «Авиадвигатель», заместитель начальника опытно-конструкторского бюро по науке;

Бирюк Владимир Васильевич, доктор технических наук, профессор, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет), профессор кафедры теплотехники и тепловых двигателей

Ведущая организация: федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Уфимский государственный авиационный технический университет»

Защита состоится 11 октября 2013 г. в 10^ часов на заседании диссертационного совета Д 212.215.02 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)» по адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет).

Автореферат разослан 6 сентября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.215.02

Скуратов Д.Л.

• ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы исследования. Одной из важнейших и актуальных задач при создании газотурбинного двигателя (ГТД) является выбор оптимальных значений параметров его рабочего процесса. Разработка ГТД различного назначения на базе унифицированного газогенератора - одно из основных стратегических направлений мирового авиадвигателестроения. Это определяется прежде всего значительными, непрерывно возрастающими затратами средств на создание современных авиационных ГТД. Создание семейств двигателей на основе унифицированного газогенератора обеспечивает высокие показатели надёжности и ресурса и позволяет быстро реагировать на конъюнктуру рынка при минимальных сроках и стоимости создания новых двигателей. Поэтому вопрос выбора рациональных параметров рабочего процесса унифицированного газогенератора для семейства двигателей актуален и в настоящее время.

Степень разработанности темы. Все современные авиадвигателестроительные предприятия очередные модификации своих двигателей создают, как правило, на базе существующего газогенератора. При таком подходе выбор параметров газогенератора и двигателя осуществляется под заданный самолёт. Однако, несмотря на очевидную значимость проблемы выбора рациональных параметров унифицированного газогенератора и двигателей, создаваемых на его основе, ей уделяется пока недостаточное внимание. В этой связи разработка методов, которые позволят выбирать рациональные параметры унифицированного газогенератора и двигателей различного целевого назначения, является важной задачей.

Цель и задачи. Цель работы — улучшение технико-экономических показателей авиационных газотурбинных двигателей за счёт оптимизации параметров рабочего процесса унифицированного газогенератора и двигателей, создаваемых на его основе. Задачи исследования:

1. Разработка метода выбора рациональных параметров рабочего процесса унифицированного газогенератора.

2. Разработка метода выбора рациональных параметров рабочего процесса ГТД, создаваемых на базе заданного газогенератора.

3. Разработка метода выбора рациональных параметров рабочего процесса семейства ГТД, создаваемых на базе унифицированного газогенератора.

4. Разработка компьютерных моделей решения задач оптимизации и выбора параметров рабочего процесса унифицированного газогенератора и создаваемых на его базе семейства газотурбинных двигателей в САЕ-системе «АСТРА».

5. Исследование выбора рациональных параметров рабочего процесса семейства ГТД, состоящего из ТРДЦ (Р0=230 кН и Р„=150 кН) и ГТУ (Ые=25 МВт), на базе унифицированного газогенератора.

6. Исследование возможности создания ГТД на основе модификаций унифицированного газогенератора.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Разработан новый метод выбора рациональных параметров рабочего процесса унифицированного газогенератора для семейства двигателей, основанный на многокритериальной оптимизации.

2. Разработан метод оптимизации параметров рабочего процесса ГТД, создаваемых на базе заданного газогенератора по критериям ЛА.

3. Разработан метод выбора рациональных параметров рабочего процесса

семейства газотурбинных двигателей, создаваемых на базе унифицированного газогенератора, позволяющий одновременно оптимизировать и параметры двигателей семейства и параметры газогенератора.

4. Разработаны компьютерные модели в САЕ-системе «АСТРА» для решения задачи выбора параметров рабочего процесса семейства ГТД, создаваемых на базе унифицированного газогенератора.

5. Разработана и апробирована технология создания семейства ГТД, состоящего из ТРДЦ и ГТУ, на базе унифицированного газогенератора. Исследована возможность и выработаны предложения по модификации унифицированного газогенератора для применения в составе ГТУ для газотурбовоза и наземной энергоустановки с целью повышения их эффективности.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость результатов работы заключается в разработке метода выбора рациональных параметров рабочего процесса унифицированного газогенератора и семейства газотурбинных двигателей, создаваемых на его базе.

Практическая значимость результатов состоит в том,, что разработанные методы выбора параметров рабочего процесса семейства ГТД на базе унифицированного газогенератора позволяют улучшить технико-экономические показатели создаваемых двигателей, сократить время на их проектирование и повысить их конкурентоспособность.

Результаты исследования нашли практическое применение при выполнении следующих работ:

• «Создание линейки газотурбинных двигателей на базе универсального газогенератора высокой эффективности» (договор с ОАО «Кузнецов» от 15.07.2010 г. № 85/10 при финансовой поддержке Правительства Российской Федерации (Минобрнауки) на основании постановления Правительства РФ №218 от 09.04.2010);

• «Развитие теории и методов оптимального проектирования авиационных ГТД» в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)»;

• «Разработка методов анализа и концептуального проектирования газотурбинных двигателей и энергетических установок со сложными циклами на основе математического моделирования их термогазодинамических процессов» в рамках государственного задания Министерства образования и науки Российской Федерации;

• «Развитие теории и математическое моделирование термогазодинамических процессов газотурбинных двигателей (ГТД) и энергетических установок со сложными циклами» в рамках государственного задания Министерства образования и науки Российской Федерации.

Разработанные методы и средства нашли практическое применение в ОАО «Кузнецов» и СГАУ.

Методология и методы исследования. Общий методологический подход базируется на основных положениях теорий ГТД и лопаточных машин, современных методах математического моделирования сложных систем, теории и методах нелинейной оптимизации, методах системного анализа, теории и методах построения и реализации САПР.

Объектом исследования является проектирование рабочего процесса ГТД. Предметом исследования являются методы и средства выбора параметров

рабочего процесса ГТД, создаваемых на базе унифицированного газогенератора. Положения, выносимые на защиту:

1. Метод выбора рациональных параметров рабочего процесса семейства газотурбинных двигателей, создаваемых на базе унифицированного газогенератора, позволяющий одновременно оптимизировать и параметры двигателей семейства и параметры газогенератора.

2. Компьютерные модели в CAE-системе «АСТРА» для решения задачи выбора параметров рабочего процесса семейства ГТД, создаваемых на базе унифицированного газогенератора, и технология формирования компьютерных моделей.

3. Предложения по модификации унифицированного газогенератора для применения в составе ГТУ для газотурбовоза и наземной энергоустановки с целью повышения их эффективности.

Степень достоверности полученных результатов подтверждается корректностью постановки задачи, использованием апробированных теоретических положений и методов, а также удовлетворительной верификацией разработанных моделей с моделями, используемыми в реальной практике проектирования ГТД. Апробация результатов исследования.

Основные положения диссертационной работы, научные и практические результаты докладывались на IV Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы машиностроения» (Самара, 2012 г.); симпозиуме с международным участием «Самолетостроение России. Проблемы и перспективы» (Самара, 2012 г.); международном научно-техническом форуме, посвященном 100-летию ОАО «Кузнецов» и 70-летию СГАУ, (Самара, 2012 г.); на научно-технических совещаниях и семинарах СГАУ и ОАО «Кузнецов» (2010-2012 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 36 работ, в том числе 12 статей в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка использованных источников из 120 наименований. Общий объём работы составляет 149 страниц, 109 рисунков и 16 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, степень её разработанности, сформулированы цель и задачи исследования, отмечена научная новизна, теоретическая и практическая значимость выполненной работы, описаны методология и методы исследования, представлены положения, выносимые на защиту, обусловлена степень достоверности исследования и представлена информация по апробации результатов. Также дан краткий анализ структуры и содержания работы.

В первом разделе выполнен анализ современных проблем выбора параметров газотурбинных двигателей. В работах Стечкина Б.С., Шляхтенко С.М., Нечаева Ю.Н. и Федорова P.M. рассмотрены особенности рабочего процесса различных типов авиационных ГТД, влияние параметров термодинамического цикла на их основные технические данные, сформулированы теоретические основы определения оптимальных параметров для термодинамического цикла ГТД различных схем на основе рассмотрения двигателя как изолированного объекта. Основным особенностям оптимизации параметров ГТД различных типов по топливной экономичности (СУд min, По max) посвящены работы Сосунова В.А., Пархомова А.Л., Клячкина А.Л., Холщевникова К.В. В ЦИАМ Флоровым И.Ф., Юговым O.K.

и Селивановым О.Д. были разработаны методы согласования характеристик двигателя и летательного аппарата Масловым В.Г., Кузьмичевым B.C., Григорьевым В.А., Егоровым И.Н. и др. были разработаны методы оптимизации и выбора параметров двигателя в системе летательного аппарата.

Вопросы теории ГТД и выбора параметров рабочего процесса также рассмотрены в работах иностранных авторов G.C. Oates, H.A. Sorensen, Н. Cohen, J.L. Kerrebrock, M. Drela и др.

В мировой практике выделяют три основных подхода к разработке семейств модификаций:

1. Дифференцирование по силе тяги одного двигателя применительно к разным летательным аппаратам. Изменение тяги достигается простой перенастройкой управления, т.е. дросселированием двигателя без какого-либо вмешательства в его конструкцию.

2. Создание модификаций двигателей на основе базового газогенератора.

3. Создание модификаций двигателей на основе моделирования базового газогенератора.

Анализ опубликованных исследований показал, что проблема выбора параметров газогенератора для семейства газотурбинных двигателей в настоящее время в полном объёме не решена.

Выполнен анализ современных средств автоматизированного проектирования ГТД на начальном этапе (АСТРА, DVIGw, ГРАД, GasTurb и др.), из которого следует, что созданные до настоящего времени системы не имеют в своём составе средств для выбора рациональных параметров рабочего процесса газогенератора и двигателей, создаваемых на его основе.

Во втором разделе описаны методы выбора рациональных параметров рабочего процесса унифицированного газогенератора и семейства газотурбинных двигателей, создаваемых на его базе.

Задача выбора параметров рабочего процесса семейства ГТД на базе унифицированного газогенератора формулируется следующим образом: необходимо определить рациональные значения параметров рабочего процесса унифицированного газогенератора для семейства ГТД и параметры рабочего процесса каждого из двигателей семейства. Искомые параметры должны обеспечивать максимально возможную эффективность проектируемых двигателей по совокупности критериев летательного аппарата при ограничениях, гарантирующих работоспособность двигателя.

Рассматриваемая многокритериальная задача выбора параметров рабочего процесса семейства ГТД на базе унифицированного газогенератора математически может быть сформулирована следующим образом:

£2 = arg^ min max

min max SY,. .,

V. V J

4jl{xpxnb)<0 Qj{xpb)<0 ,

где У, = {Ст км, Мсу+Т, а, Се.....} - множество критериев эффективности ГТД; X, = (л вП,

т, 7г\нд) - вектор оптимизируемых параметров рабочего процесса двигателя;

{ТРДЦ,,ТРДЦ2,..., ГТУь...} - множество двигателей семейства; Xj = (лaт, 7*г/(рвгп пр вГТ) - вектор оптимизируемых параметров рабочего процесса У* — У

газогенератора; <5УД(1 = ——т^" РкР, - нормированное значение критериев

Уи

эффективности (К"4, значение критерия эффективности при оптимизации по частному критерию. р4 - коэффициент «весомости» двигателя в семействе: р, -коэффициент «весомости» Л го критерия): (¡/Хг X,. Ь) - ограничения при оптимизации параметров двигателя; (2,(Х/Г Ь) - ограничения при оптимизации параметров газогенератора: Ь - (КПД узлов, коэффициенты потерь в узлах...) -вектор зависимых переменных и исходных данных

При такой постановке решается две вложенных задачи оптимизации: выбор рациональных параметров газогенератора для всего семейства двигателей и оптимизация параметров каждого двигателя при заданном унифицированном газогенераторе. Для нормирования критериев эффективности проводится оптимизация параметров каждого двигателя по каждому критерию без ограничений по параметрам газогенератора

I) обобщенном виде алгоритм метода выбора рациональных параметров рабочего процесса унифицированного газогенератора и семейства газотурбинных двигателей, создаваемых на его базе представлен на рисунке 1.

Рисунок I - Алгоритм метода «иоора рациональных параметров рабочего процесса унифицированного гакмеиерагора и ссмсПстна гачтрйинних лкшатслеП. сочлакаеммч на его бате

В качестве метода оптимизации был выбран нелинейный енмплекс-мегод. При оптимизации параметров ТРДД используются следующие критерии эффективности: Л/1ЛА

С, .„ =-г - удельные затраты топлива ЛЛ на I т км. кг/(т км);

А/. А 10 ' -

Мсу., = А7ГЧ. + МпМ, лд - масса силовой установки и топлива на ЛА. кг:

а -+ + ' ^ " себестоимость перевозок

1 т-км коммерческой нагрузки. руб./(т-км).

Потребный запас топлива на борту ЛА определяется на основе моделирования пол Ста самолета по заданной траектории.

Оптимизация параметров рабочего процесса ГТУ проводится по эффективному удельному расходу топлива С,.

На рисунке 1 пунктиром обведены блоки оптимизации параметров ГТД на базе унифицированного (заданного) газогенератора. Более детально алгоритм оптимизации параметров рабочего процесса ТРДД (а) и ТВаД (б) на базе заданного газогенератора представлен на рисунке 2.

В третьем pat.ie.ie описаны технологии формирования компьютерных моделей в САЕ-системе «АСТРА», реализующих методы выбора рациональных параметров рабочего процесса унифицированного газогенератора и семейства газотурбинных двигателей, создаваемых на его базе.

Оп ПЯМ эаци •

п'т. т

/Параметр«'/ / кадаииого / <

I_п_7

Подбор я'ч

Т

¿«•ямс« ТРДД

х*кр Р4ИШМ

Нет

«ГР. •«»,->

/Параи.ф». / / тадамисто / ■

I_Ч—/

пообсе т--_

Т

ти реюша

ХО __ Н»Т

Подбор

Т

За*«*» ма иситап ре»иие

Нет

Расчет чжтасмя зф тх V*»

Т

Норомроеаиме. »ритсрия «V*» ч

Рисунок 2 - Алюршмы ошимишш параметров рабочего процесса ТРДД (а) и ТВаД (о) на бате заданного газогенератора

В качестве основы для разработки компьютерных моделей была выбрана САГ.-система «АСТРА», разработанная в СГАУ. Благодаря модульной структуре система «АСТРА» позволяет моделировать двигатели различных типов и схем, полетный цикл летательного аппарата и имеет в своём составе модуль оптимизации. Для реализации метода выбора рациональных параметров рабочего процесса унифицированного газогенератора и семейства газотурбинных двигателей были разработаны следующие технологии и компьютерные модели:

• технология формирования компьютерной модели о1гтнмизании параметров рабочего процесса ТРДД без ограничений по параметрам газогенератора

н на базе заданного газогенератора в CAE системе «АСТРА»: технология формирования компьютерной модели оптимизации параметров рабочего процесса ГТУ без ограничений по параметрам газогенератора и на базе («данного газогенератора в CAE системе «АСТРА»;

технология формирования компьютерной модели оптимизации и выбора параметров рабочего процесса газогенератора и двигателей семейства на базе унифицированного газогенератора в CAE системе «АСТРА». Пример рабочего окна системы «АСТРА» представлен на рнсунке V

1рнмер раос

TtffWH

и .

«'"¡«if»» '/Mf "

f J -Ч^Л-

*■ fS

- С ••mi

* tJ .. WlHll

■ lZ . » l; .....

rygj

e..........I

. Tv Ы

' - 1 »V» 1*1

■J " '

- U

Р»ЮМОК 3 -

ОШщщщi _ ГПФМ»*^

■ Окно смосмм «АСТРА» В чг терт ом ритме приведены результаты апробации разработанных методов. В качестве примера была решена <алача выбора параметров рабочего процесса ТРДД-1 для дальнемагистрального транспортного самолета < Р,,=230кН). ТРДД-2 для средисмагнстрального пассажирского самолета <Р„=15()кН) и [ТУ мощностью Л',=25Мвт. создаваемых на базе унифицированного газогенератора.

В таолние 1 показаны значения критериев эффективности при оптимизации двитателей без ограничения но параметрам га «генератора (2) и при оптимизации двигателей на базе унифицированного рационального газогенератора (3). а также кршерии двигателей аналогичного применения (4).

Таблица I Значения критериев эффективности двигателей

гтд (HiTiiuaikiiMC значения крнюриск к)и)ккитн1н.1н дншпжП oei ограниче-мни ш> 1мр.1мсфам |<г«чс-нератора {НЛЧСННЯ Kpincpiicil )ффСКИШН0СТ|1 .1*111,11С ки. ч> цапаемых на бах унифицированною газогенераторе Лвшатсль - ана.км

1 2 3 4

ТРДД-1 (анало< Д 18Т) а = 3.39руб7(г км) и - 3.47руо./(ткм) а ж 5.28руб7(г км)

С, „„-0.0X3 кт/(т км) Сп«=0,086 кг/(г км) С, .„-0.145 кг/(ткм)

•Не». i=80.9 т W«.r*82.9 т •W^. t" Ю5.7 т

ТРДД-2 (аналог -ПС-90А) а = 6,31 руб7(ткм) и = 6,75ру6./( T-KXI) а = 7,1 ЗруйУ(г-км)

С, ««=0,155 кг/(т км) С, .„=0,172 кг/(т км) С, .„=<>.11>6 кг/(т км)

3/с* .т=24.6 т 25.8 г Wrv.,=30.9 1

ГТУ (аналог -НК-36СТ) С,=0.169 кг/(кВт ч) С,=0.17(> кгЛкВтч) С,=0.212 кг/(кВт ч)

На рисунке 4 изображены области оптимальных параметров (отклонение от оптимального знамени* - при оптимизации параметров ТРДД-1

без ограничении по параметрам газогенератора (в) и при оптимизации параметров ТРДД-1 на базе унифицированного газогенератора (5).

- — га - Л

— — и*».» СГ>—1 1 |_1_ о]

— «.„.Л>

\ С. - .».4- к -! 1

\ л

4

- >1.11 И0

Ч-

Л"

Рисунок 4 - Области ехпимапных параметров ТРДД-1 при оптимизации без ограничений но параметрам I а юн кера гора 1а) н на бак унифицированного газогенератора (6)

В результате оптимизации были получены следующие рациональные значения параметров унифицированного газогенератора. С. пр .ггр«-. = 56.4 кг/с; * «Пркч = 21.6; 7 ,„р ,п ¡»см = 1403 К.

Из таблицы 1 видно, что по сравнению с двигателями аналогичного применения удастся значительно повыс1ггь эффективность 1ТД по различным критериям.

Параметры двигателей семейства на базе унифицированного газогенератора представлены в таблицах 2 и 3.

Таблица 2 - Параметры ТРДД-1 и ТРДД-2

Таблица 3 - Параметры ГТУ на \ ни(1»широваш1ого газогенератора

базе

Параметр ТРДД-1 ТРДД-2

Р,у кН 230 150

>».т 14.9 8.9

Л >11 ч> 1.33 1.46

кН 50.5 32.9

кг/(к11ч) 47,32 54.34

С. 1«. кг/с 1144 623

т0 12.9 7.83

Т,о.К 1562 1473

Л ао 33.1 27.7

Параметр Значение

С.*, кг/с 77.3

7%. К 1550

« л 31.2

Л',, кВт 25000

С,. кг/(кВт ч) 0.181

1, 0.396

В данном разделе также приведены результаты исследования возможности модификаций унифицированного газогенератора.

С использованием автоматизированной системы «АСТРА» проведено исследование возможности повышения эффективности термодинамического цикла ГТУ для газоперекачивающего агрегата на базе унифицированного газогенератора за счёт утилизации тепла выхлопных газов. Схема двигателя с утилизацией тепла представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Схема П'У с впрыском пара: I - на входе в ГВД, 2 - на входе а СТ

|«00 1МШ ТОООО ГМО» ЯШ» "ООО (Ч>, !,Вт

--»ЦМЬНртичТи

Рисунок 6- Результаты исследования возможное™

повышен»» эффекта» поста 1ТУ для I азоосрекачитииоикю агрегата за счет применения сложных циклов

Рассматривалось два варианта: впрыск пара на входе в турбину высокого давления и впрыск пара на входе в свободную турбину. В результате обосновано, что за счет впрыска пара на входе в свободную турбину может быть достигнуто увеличение эффективного КПД ГТУ на 3-4 % при обеспечении необходимого уровня газодинамической устойчивости (рису нок 6).

При модификации ГТУ на базе унифицированного газогенератора для газотурбовоза необходимо выбрать параметры рабочего процесса, обеспечивающие N,=8,3 МВт при С,<45 кг/с, и исследовать возможность повышения его эффективности за счет применения сложных термодинамических циклов.

При расчете ГТУ с унифицированным газогенератором (с пятиступенчатым компрессором НД) расход воздуха превышал заданные ограничения. Были проведены расчеты с четырех- и трехступенчатым компрессором НД. Однако только за счет уменьшения количества ступеней компрессора решить поставленную задачу не удалось в связи с тем. что линия совместной работы смещается за пределы характеристики компрессора НД (рисунок 7).

Ныли предложены мероприятия по коррекции пропускной способности турбин, которые позволили обеспсчигь заданные параметры двигателя. Результаты исследования влияния пропускной способности турбин при различном количестве ступеней компрессора представлены на рисунке 8. В качестве возможного предложен вариант с четырехступенчатым ком-—л>~»»<оммст«о«мео1ы —*.м«т,рн<т»«*1 «<» «.д ирессором низкого давления и с кор---т»и4-><т кнд — х*о**тп*«т*».ш 5 жст кнд рекцней пропускной способности тур-Рисунок 7 - Положение линии совместной работы бины НД -10% Н свободной турбины узлов на характеристиках компрессоров НД .">0%

п;

и чм

"1

^ д

¿ЛА \

ЛКЧ1 * 4< т. КНД

4 Г -

V — кнд

СТ. КЦД

44 м ОалрвНД

НТК

. «от

N(o). кВт

•О- 5 ст кнд. &А(Тид> «ОН S*<CT) .0% -в-5еткнд W<a»-S%.»>4CT}.-10% -О- «ст»<л &А<ТЦЯ)=0% М<СТ1=0Ч -«—<стЮЧД 4Af7na =10* iA«CT)=-?0% -A- JciKKQ. 6А(ТНД).0К ЬМСТ)'0* }стКНДМ<ТИа»-15»6*<СТ|»-30*

Рисуиок 8 - Дроссельные характеристики (ТУ для гатотурбовша

Были также проведены исследования по повышению эффективности ГТУ для газотурбовоза за счСт регенерации тепла за турбиной НД и за свободной турбиной (схема ГТУ представлена на рисунке 9). Дроссельные характеристики двигателя при различных вариантах регенерации тепла показаны на рисунке 10.

В результате исследований получено, что целесообразно применение регенерации тепла за свободной турбиной. Этот

„ „ _„ _ вариант позволяет повысить эффективный

Рисунок 9 - Схема ГТД с рекнерашки ' . ,

ТС1Г)а КПД ГТУ на 4-5% при требуемом уровне

( - на выходе От тнл. 2 - на выходе от СТ расхода воздуха и заданной мощности.

в.4 1Л ОЛ од W 01»

'им зооо МО* ОМ* мм хж

n<*>,St nw.-©T

—4етКМД &А(ТНД)..10%.&А(СТ)"-Г0%

-•- 4стКМД &А(ТНД)Ч0* &А(СТ)-.30*. ро» мСТ

--•-4 ст КПД. &AfTHH) --«О». SA(CT) ".20%. ро» м ТМД

4 ет КПД 4А(твД) IS*. 4АГГНШ 4J.SV &А(СТ) —42.5*. pef м ТИД

Рисунок 10 - Дроссельные характеристики ГТУ дм гаютурбоыпа

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенного исследования решена актуальная научная задача и получены следующие основные результат.!:

1. Разработан метод выбора рациональных параметров рабочего процесса унифицированного газогенератора, который позволяет выбирать параметры газогенератора для семейства двигателей на основе многокритериальной

оптимизации.

2. Разработан метод оптимизации параметров рабочего процесса ГТД по критериям ЛА, с учетом ограничений, обусловленных использованием заданного газогенератора

3. Разработан метод выбора рациональных параметров рабочего процесса семейства ГТД, создаваемых на базе унифицированного газогенератора, позволяющий одновременно оптимизировать параметры двигателей семейства и параметры газогенератора.

4. Разработаны компьютерные модели в CAE-системе «АСТРА» для решения задач выбора рациональных параметров рабочего процесса унифицированного газогенератора и семейства двигателей, создаваемых на его на базе.

5. Разработаны технологии выбора рациональных параметров рабочего процесса семейства ГТД, состоящего из ТРДД (Ро=230 кН и Р<у=150 кН) и ГТУ (Ne=25 МВт), на базе унифицированного газогенератора. Исследованы возможности модификации унифицированного газогенератора для применения в составе ГТУ для газотурбовоза и газоперекачивающего агрегата, выработаны предложения по повышению их эффективности за счет применения сложных термодинамических циклов.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Публикации в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК:

1. Рыбаков, В.Н. Выбор параметров рабочего процесса линейки ГТД на базе унифицированного газогенератора [Текст] / В.Н. Рыбаков // Вестник Самарск. гос. аэрокосм, ун-та. - 2012. - №3(34). - Ч.З. - С. 88-92.

2. Рыбаков, В.Н. Особенности оптимизации параметров рабочего процесса ТРДД на базе заданного газогенератора [Текст] / В.Н. Рыбаков // Вестник Самарск. гос. аэрокосм, ун-та. - 2012. - №3(34). - Ч.З. - С. 83-87.

3. Кузьмичев, B.C. Моделирование полета летательного аппарата в задачах оптимизации параметров рабочего процесса газотурбинных двигателей [Текст] / B.C. Кузьмичев, А.Ю. Ткаченко, В.Н. Рыбаков - Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2012. - Т.14, №1(2). - С. 491А94.

4. Кузьмичев, B.C. Постановка задачи оптимизации параметров ТРДД с выполненным газогенератором [Текст] / B.C. Кузьмичев, В.В. Кулагин, А.Ю. Ткаченко, И.Н. Крупенич, В.Н. Рыбаков // Вестник Самарск. гос. аэрокосм, ун-та. - 2012. - №5(36). - 4.1. - С. 174-179.

5. Кузьмичев, B.C. Методы и средства концептуального проектирования авиационных ГТД в CAE-системе «АСТРА» [Текст] / B.C. Кузьмичев, АЛО. Ткаченко, В.Н. Рыбаков, И.Н. Крупенич, В.В. Кулагин // Вестник Самарск. гос. аэрокосм, ун-та. - 2012. - №5(36). - 4.1. - С. 169-173.

6. Кузьмичев, B.C. Влияние неопределенности исходных проектных данных на выбор оптимальных параметров рабочего процесса ГТД [Текст] / B.C. Кузьмичев, АЛО. Ткаченко, В.Н. Рыбаков, И.Н. Крупенич, В.В. Кулагин // Вестник Самарск. гос. аэрокосм, ун-та. - 2012. -№5(36). -4.1. - С. 180-186.

7. Рыбаков, В.Н. Зависимость потребной температуры газа перед турбиной на крейсерском режиме длительного полёта от степени двухконтурности [Текст] / В.Н. Рыбаков // Вестник Самарск. гос. аэрокосм, ун-та. - 2012. - №5(36). - 4.1. - С. 209-212.

8. Кузьмичев, B.C. Методы оптимального проектирования ГТД на начальном этапе [Текст] / B.C. Кузьмичев, В.В. Кулагин, И.Н. Крупенич, A.IO. Ткаченко, В.Н. Рыбаков // Электронный журнал «Труды МАИ». Вып. №59. - 2012 - 11 с.

9. Кузьмичев, B.C. Исследование возможности повышения эффективности ГТУ за счёт регенерации тепла [Текст] / B.C. Кузьмичев, В.В. Кулагин, И.Н. Крупенич, А.Ю. Ткаченко, В.Н. Рыбаков // Электронный журнал «Труды МАИ». Вып. №58. - 2012 - 16 с.

10. Рыбаков, В.Н. Концепция построения виртуальной лаборатории испытаний ГТД [Текст] / В.Н. Рыбаков, B.C. Кузьмичев, А.Ю. Ткаченко // Вестник Самарск. гос. аэрокосм, ун-та. - 2011. - №3(27). - Ч.З. - С. 326-330.

11. Рыбаков, В.Н. Информационное обеспечение виртуальной лаборатории испытаний ГТД [Текст] / В.Н. Рыбаков, B.C. Кузьмичев, В.В. Кулагин, И.Н. Крупенич, Д.В. Фёдоров // Вестник Самарск. гос. аэрокосм, ун-та. - 2011. - №3(27). - Ч.З. - С. 320-325.

12. Кузьмичев, B.C. Принципы и методы создания виртуальной лаборатории испытаний ГТД [Текст] / B.C. Кузьмичев, В.Н. Рыбаков - Вестник Уфимского гос. авиац. техн. ун-та. -2012. - Т. 16. - №2(47). - С. 199-202.

Публикации в трудах международных и всероссийских конференций:

13. Ткаченко, А.Ю. Автоматизированная система термогазодинамического расчета и анализа (АСТРА-4) газотурбинных двигателей и энергетических установок [Текст] /

A.Ю. Ткаченко, B.C. Кузьмичев, В.В. Кулагин, И.Н. Крупенич, В.Н. Рыбаков // Проблемы и перспективы развития двигателестроения: материалы докладов междунар. науч.-техн. конф. 28-30 июня 2011 г. - Самара: СГАУ, 2011. - В 2 Ч. - 4.2 - С. 80-82.

14. Кузьмичев, B.C. Постановка задачи оптимизации параметров ТРДЦ с выполненным газогенератором [Текст] / B.C. Кузьмичев, В.В. Кулагин, А.Ю. Ткаченко, И.Н. Крупенич,

B.Н. Рыбаков // Самолетостроение России. Проблемы и перспективы: материалы симпозиума с международным участием - Самар. гос. аэросм. ун-т. - Самара: СГАУ, 2012. - С. 249-250.

15. Кулагин, В.В. К вопросу о создании двухконтурных двигателей разной тяги на базе выполненного газогенератора [Текст] / В.В. Кулагин, B.C. Кузьмичев, А.Ю. Ткаченко, И.Н. Крупенич, В.Н. Рыбаков // Международный научно-технический форум, посвященный 100-летию ОАО "Кузнецов" и 70-летию СГАУ, Самара, 5-7 сентября 2012 года: Сборник трудов в 3-х томах. Том 1. Материалы круглых столов форума. - Самара: Изд. Самар. гос. аэрокосм, ун-та, 2012. - С. 5.

16. Кузьмичев, B.C. Особенности оптимизации параметров рабочего процесса ТРДЦ на базе заданного газогенератора [Текст] / B.C. Кузьмичев, В.В. Кулагин, А.Ю. Ткаченко, И.Н. Крупенич, В.Н. Рыбаков // Международный научно-технический форум, посвященный 100-летию ОАО "Кузнецов" и 70-летию СГАУ, Самара, 5-7 сентября 2012 года: Сборник трудов в 3-х томах. Том 1. Материалы круглых столов форума. - Самара: Изд. Самар. гос. аэрокосм, ун-та, 2012. - С. 6.

17. Кузьмичев, B.C. Создание линейки ГТД на базе универсального газогенератора [Текст] / B.C. Кузьмичев, В.В. Кулагин, А.Ю. Ткаченко, И.Н. Крупенич, В.Н. Рыбаков // Международный научно-технический форум, посвященный 100-летию ОАО "Кузнецов" и 70-летию СГАУ, Самара, 5-7 сентября 2012 года: Сборник трудов в 3-х томах. Том 1. Материалы круглых столов форума. - Самара: Изд. Самар. гос. аэрокосм, ун-та, 2012. -

C. 218-219.

18. Кузьмичев, B.C. Методы и средства концептуального проектирования авиационных ГТД в CAE-системе «АСТРА» [Текст] / B.C. Кузьмичев, А.Ю. Ткаченко, В.Н. Рыбаков, И.Н. Крупенич, В.В. Кулагин И Самолетостроение России. Проблемы и перспективы: материалы симпозиума с международным участием - Самар. гос. аэросм. ун-т. - Самара: СГАУ, 2012. - С. 247-249.

19. Кузьмичев, B.C. Влияние неопределенности исходных проектных данных на выбор оптимальных параметров рабочего процесса ГТД [Текст] / B.C. Кузьмичев, А.Ю. Ткаченко, В.Н. Рыбаков, И.Н. Крупенич, В.В. Кулагин //Самолетостроение России. Проблемы

и перспективы: материалы симпозиума с международным участием - Самар. гос. аэросм. ун-т. - Самара: СГАУ, 2012. - С. 245-247.

20. Рыбаков, В.Н. Зависимость потребной температуры газа перед турбиной на крейсерском режиме длительного полёта от степени двухконтурности [Текст] /

B.Н. Рыбаков // Самолетостроение России. Проблемы и перспективы: материалы симпозиума с международным участием - Самар.гос. аэросм. ун-т. - Самара: СГАУ, 2012. - С. 339-340.

21. Кузьмичев, B.C. Возможность повышения эффективности 1 "ГУ за счет регенерации тепла [Текст] / B.C. Кузьмичев, В.В. Кулагин, А.Ю. Ткаченко, И.Н. Крупенич, В.Н. Рыбаков // Международный научно-технический форум, посвященный 100-летию ОАО "Кузнецов" и70-летгао СГАУ, Самара, 5-7 сентября 2012 года: Сборник трудов в 3-х томах. Том 1. Материалы круглых столов форума - Самара: Изд. Самар. гос. аэрокосм, ун-та, 2012. -

C. 217-218.

22. Кузьмичев, B.C. Разработка виртуального прототипа ГТД в CAE-системе «АСТРА» на этапе концептуального термогазодинамического проектирования [Текст] / B.C. Кузьмичев, В.В. Кулагин, А.Ю. Ткаченко, И.Н. Крупенич, В.Н. Рыбаков // Международный научно-технический форум, посвященный 100-летию ОАО "Кузнецов" и 70-летию СГАУ, Самара, 5-7 сентября 2012 года: Сборник трудов в 3-х томах. Том 1. Материалы круглых столов форума -Самара: Изд. Самар. гос. аэрокосм, ун-та 2012. - С. 7.

23. Кузьмичев, B.C. Решение задач начального этапа проектирования ГТД методами CAE-системы «АСТРА» [Текст] / B.C. Кузьмичев, В.В. Кулагин, А.Ю. Ткаченко, И.Н. Крупенич, В.Н. Рыбаков // Международный научно-технический форум, посвященный 100-летию ОАО "Кузнецов" и 70-летию СГАУ, Самара, 5-7 сентября 2012 года: Сборник трудов в 3-х томах. Том 1. Материалы круглых столов форума. - Самара: Изд. Самар. гос. аэрокосм, ун-та 2012. - С. 8.

24. Рыбаков, В.Н. Разработка базы основных данных и параметров рабочего процесса ГТД различных схем [Текст] / В.Н. Рыбаков // XVI Туполевские чтения: Международная молодежная научная конференция, 28-29 мая 2008 года: Труды конференции. Том III. -Казань: Изд-во Казан, гос. тенх. ун-та 2008. - С. 79.

25. Рыбаков, В.Н. Концепция построения виртуальной лаборатории испытаний ГТД [Текст] / В.Н. Рыбаков, B.C. Кузьмичев, А.Ю. Ткаченко // Проблемы и перспективы развития двигателестроения: материалы докладов междунар. науч.-техн. конф. 28-30 июня 2011г. -Самара: СГАУ, 2011. - В 2 Ч. - 4.2 - С. 78-80.

26. Рыбаков, В.Н. Концепция построения виртуальной лаборатории испытаний ГТД [Текст] / В.Н. Рыбаков // Будущее авиации за молодой Россией: Материалы Международного молодежного форума - Рыбинск: РГАТА имени П. А. Соловьева, 2011. С.97-102.

27. Рыбаков, В.Н. Разработка виртуальной лаборатории испытаний ГТД [Текст] / В.Н. Рыбаков, B.C. Кузьмичев // Материалы конференции «Имитационное моделирование. Теория и практика». - С.-П.: 2011. - С. 388-392.

28. Рыбаков, В.Н. Система оценки научно-технического уровня продукции [Текст] /

B.Н. Рыбаков // Всероссийская молодежная научно-техническая конференция "Актуальные проблемы техники и технологии машиностроительного производства": материалы докладов конкурса УМНИК / под общей редакцией к.т.н доц. Филатова В.А. / НП РЦИТТ, 2013. -

C. 47-48.

Методические указания:

29. Кулагин, В.В. Начальный уровень проектирования ГТД с помощью автоматизированной системы термогазодинамического расчета и анализа (АСТРА): метод, указания [Текст] / сост. В.В. Кулагин, B.C. Кузьмичев. И.Н. Крупенич, А.Ю. Ткаченко, В.Н. Рыбаков. - Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм, ун-та, 2008. - 51 е.: ил.

Электронные издания:

30. Формирование виртуальных моделей рабочего процесса ГТД различных типов и схем в CAE-системе АСТРА [Электронный ресурс] : электрон, метод, указания / Минобрнауки России, Самар. гос. аэрокосм. ун-т. С.П. Королева (нац. исслед. ун-т); сост. В.Н. Кузьмичев, В.В. Кулагин, А.Ю. Ткаченко, В.Н. Рыбаков, И.Н. Крупенич. - Электрон, текстовые и граф. дан. (987 Кбайт). - Самара, 2011. - 1 эл. опт. диск (CD-ROM).

31. Кузьмичев, B.C. Основные закономерности изменения удельных параметров и проектный термогазодинамический расчет ГТД [Электронный ресурс]: электрон, метод, указания / сост. B.C. Кузьмичев, В.В. Кулагин, И.Н. Крупенич, А.Ю. Ткаченко, В.Н. Рыбаков. - Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм, ун-та, 2011. - 17 е.: ил.

32. Технология формирования оптимального рабочего процесса ГТД в САЕ-сисгеме АСТРА [Электронный ресурс]: электрон, метод, указания / Минобрнауки России, Самар. гос. аэрокосм. ун-т. С.П.Королёва (нац. исслед. ун-т): сост. В.В. Кулагин. B.C. Кузьмичев,

A.Ю. Ткаченко, И.Н. Крупенич, В.Н. Рыбаков. - Электрон, текстовые и граф. дан. (1,6Мб). -Самара, 2012. - 1 эл. опт. диск (CD ROM).

33. Метод термогазодинамической увязки параметров турбины, работающей в составе газотурбинного двигателя [Электронный ресурс] : электрон, метод, пособие / Минобрнауки России, Самар. гос. аэрокосм. ун-т. С.П.Королёва (нац. исслед. ун-т); сост. В.В. Кулагин,

B.C. Кузьмичев, А.Ю. Ткаченко, И.Н. Крупенич, В.Н. Рыбаков. - Электрон, текстовые и граф. дан. (1,8Мб). - Самара, 2012. - 1 эл. опт. диск (CD ROM).

34. Кузьмичев, B.C. Исследование влияния параметров каскада компрессора на основные технические данные различных типов газотурбинных двигателей [Электронный ресурс]: электрон, метод, пособие / сост.: B.C. Кузьмичев, В.В. Кулагин, А.Ю. Ткаченко, И.Н. Крупенич, В.Н. Рыбаков. - Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм, ун-та, 2011. - 60 е.: ил.

35. Кулагин, В.В, Исследование влияния регулирования площади сопла на совместную работу узлов одновального ТРД и его характеристики с помощью автоматизированной системы «АСТРА» [Электронный ресурс]: электрон, метод, указания / сост. В.В. Кулагин. B.C. Кузьмичев, И.Н. Крупенич, А.Ю. Ткаченко, В.Н. Рыбаков,- Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм, ун-та, 2011. - 16 е.: ил.

36. Кулагин, В.В. Исследование совместной работы узлов турбовинтового двигателя и его характеристик с помощью автоматизированной системы «АСТРА» [Электронный ресурс]: электрон, метод, указания / сост. В.В. Кулагин, B.C. Кузьмичев, И.Н. Крупенич. АЮ. Ткаченко, В.Н. Рыбаков - Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм, ун-та, 2011. - 13 е.: ил.

Подписано в печать: 04.09.2013 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать оперативная. Объем: 1 усл. печ. л. Тираж: 100 экз. Отпечатано в типографии издательства СГАУ 443086. Самара, Московское шоссе, 34.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)»

МЕТОДЫ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СРЕДСТВА ВЫБОРА

РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА УНИФИЦИРОВАННОГО ГАЗОГЕНЕРАТОРА И СЕМЕЙСТВА ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ, СОЗДАВАЕМЫХ НА ЕГО БАЗЕ

На правах рукописи

Рыбаков Виктор Николаевич

05.07.05 - Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель

д-р техн. наук, проф. В.С. Кузьмичев

Самара -2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................5

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР РАБОТ, ПОСВЯЩЁННЫХ ЭТАПУ НАЧАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГТД........................................................10

1.1 Особенности авиационного ГТД как объекта проектирования.................10

1.2 Аналитический обзор опубликованных работ по выбору параметров рабочего процесса ГТД......................................................................................13

1.3 Аналитический обзор опубликованных работ по проектированию семейства ГТД на базе унифицированного газогенератора..........................16

1.4 Аналитический обзор опубликованных работ по средствам автоматизации проектирования ГТД...............................................................21

1.4.1 Автоматизированная система термогазодинамического расчета

и анализа «АСТРА»........................................................................................23

1.4.2 Программный комплекс БУЮ\у............................................................28

1.4.3 Программный комплекс ГРАД...............................................................32

1.4.4 Программный комплекс ОаБТиЬ............................................................35

Выводы по 1 разделу............................................................................................41

2 МЕТОД ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА УНИФИЦИРОВАННОГО ГАЗОГЕНЕРАТОРА И СЕМЕЙСТВА ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ, СОЗДАВАЕМЫХ

НА ЕГО БАЗЕ..........................................................................................................42

2.1 Постановка задачи выбора рациональных параметров рабочего процесса унифицированного газогенератора и семейства газотурбинных двигателей, создаваемых на его базе................................................................42

2.2 Алгоритм метода выбора рациональных параметров рабочего процесса унифицированного газогенератора и семейства газотурбинных двигателей, создаваемых на его базе................................................................47

2.3 Алгоритм метода выбора параметров рабочего процесса ГТД

на базе заданного газогенератора.....................................................................50

Выводы по 2 разделу............................................................................................56

3 ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ В САЕ-СИСТЕМЕ «АСТРА», РЕАЛИЗУЮЩИХ МЕТОДЫ ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА СЕМЕЙСТВА ГТД НА БАЗЕ УНИФИЦИРОВАННОГО ГАЗОГЕНЕРАТОРА.................................................57

3.1 Принципы формирования компьютерной модели рабочего процесса ГТД в САЕ-системе «АСТРА»..........................................................................57

3.2 Технология формирования компьютерной модели в САЕ-системе «АСТРА» для оптимизации параметров рабочего процесса ТРДД без ограничений по параметрам газогенератора и на базе заданного газогенератора....................................................................................................67

3.3 Технология формирования компьютерной модели в САЕ-системе «АСТРА» для оптимизации параметров рабочего процесса ГТУ без ограничений по параметрам газогенератора и на базе заданного газогенератора....................................................................................................74

3.4 Технология формирования компьютерной модели в САЕ-системе «АСТРА» для выбора параметров рабочего процесса семейства ГТД

на базе унифицированного газогенератора.....................................................77

3.5 Верификация математических моделей ГТД с унифицированным газогенератором..................................................................................................82

Выводы по 3 разделу............................................................................................85

4 АПРОБАЦИЯ РАЗРАБОТАННОГО МЕТОДА ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА УНИФИЦИРОВАННОГО ГАЗОГЕНЕРАТОРА И СЕМЕЙСТВА ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ, СОЗДАВАЕМЫХ НА ЕГО БАЗЕ.........86

4.1 Пример выбора рациональных параметров рабочего процесса унифицированного газогенератора и семейства газотурбинных двигателей...........................................................................................................86

4.2 Исследование возможности создания ГТД на основе модификаций унифицированного газогенератора..................................................................96

4.2.1 Исследование возможности повышения эффективности ГТУ для ГПА на базе унифицированного газогенератора за счёт впрыска пара в проточную часть.................................................................................96

4.2.2 Выбор параметров ГТУ для газотурбовоза на базе унифицированного газогенератора............................................................104

4.2.3 Исследование возможности повышения эффективности ГТУ для газотурбовоза на базе унифицированного газогенератора за счёт применения регенерации тепла за свободной турбиной и турбиной НД115

4.2.4 Исследование возможности повышения эффективности ГТУ для газотурбовоза на базе унифицированного газогенератора за счёт впрыска пара в проточную часть................................................................126

Выводы по 4 разделу..........................................................................................132

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................133

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ..........................134

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ...............................................136

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Одной из важнейших и актуальных задач при создании газотурбинного двигателя (ГТД) является выбор оптимальных значений параметров его рабочего процесса. Разработка ГТД различного назначения на базе унифицированного газогенератора - одно из основных стратегических направлений мирового авиадвигателестроения. Это определяется прежде всего значительными, непрерывно возрастающими затратами средств на создание современных авиационных ГТД. Создание семейств двигателей на основе унифицированного газогенератора обеспечивает высокие показатели надёжности и ресурса и позволяет быстро реагировать на конъюнктуру рынка при минимальных сроках и стоимости создания новых двигателей. Поэтому вопрос выбора рациональных параметров рабочего процесса унифицированного газогенератора для семейства двигателей актуален и в настоящее время.

Степень разработанности темы. Все современные

авиадвигателестроительные предприятия очередные модификации своих двигателей создают, как правило, на базе существующего газогенератора. При таком подходе выбор параметров газогенератора и двигателя осуществляется под заданный самолёт. Однако, несмотря на очевидную значимость проблемы выбора рациональных параметров унифицированного газогенератора и двигателей, создаваемых на его основе, ей уделяется пока недостаточное внимание. В этой связи разработка методов, которые позволят выбирать рациональные параметры унифицированного газогенератора и двигателей различного целевого назначения, является важной задачей.

Цель и задачи. Цель работы - улучшение технико-экономических показателей авиационных газотурбинных двигателей за счёт оптимизации параметров рабочего процесса унифицированного газогенератора и двигателей, создаваемых на его основе.

Задачи исследования:

1. Разработка метода выбора рациональных параметров рабочего процесса унифицированного газогенератора.

2. Разработка метода выбора рациональных параметров рабочего процесса ГТД, создаваемых на базе заданного газогенератора.

3. Разработка метода выбора рациональных параметров рабочего процесса семейства ГТД, создаваемых на базе унифицированного газогенератора.

4. Разработка компьютерных моделей решения задач оптимизации и выбора параметров рабочего процесса унифицированного газогенератора и создаваемых на его базе семейства газотурбинных двигателей в САЕ-системе «АСТРА».

5. Исследование выбора рациональных параметров рабочего процесса семейства ГТД, состоящего из ТРДД (Р0=230 кН и Р0=150 кН) и ГТУ (Ые=25 МВт), на базе унифицированного газогенератора.

6. Исследование возможности создания ГТД на основе модификаций унифицированного газогенератора.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Разработан новый метод выбора рациональных параметров рабочего процесса унифицированного газогенератора для семейства двигателей, основанный на многокритериальной оптимизации.

2. Разработан метод оптимизации параметров рабочего процесса ГТД, создаваемых на базе заданного газогенератора по критериям ЛА.

3. Разработан метод выбора рациональных параметров рабочего процесса семейства газотурбинных двигателей, создаваемых на базе унифицированного газогенератора, позволяющий одновременно оптимизировать и параметры двигателей семейства и параметры газогенератора.

4. Разработаны компьютерные модели в САЕ-системе «АСТРА» для решения задачи выбора параметров рабочего процесса семейства ГТД, создаваемых на базе унифицированного газогенератора.

5. Разработана и апробирована технология создания семейства ГТД, состоящего из ТРДД и ГТУ, на базе унифицированного газогенератора. Исследована возможность и выработаны предложения по модификации унифицированного газогенератора для применения в составе ГТУ для газотурбовоза и наземной энергоустановки с целью повышения их эффективности.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость результатов работы заключается в разработке метода выбора рациональных параметров рабочего процесса унифицированного газогенератора и семейства газотурбинных двигателей, создаваемых на его базе.

Практическая значимость результатов состоит в том, что разработанные методы выбора параметров рабочего процесса семейства ГТД на базе унифицированного газогенератора позволяют улучшить технико-экономические показатели создаваемых двигателей, сократить время на их проектирование и повысить их конкурентоспособность.

Результаты исследования нашли практическое применение при выполнении следующих работ:

• «Создание линейки газотурбинных двигателей на базе универсального газогенератора высокой эффективности» (договор с ОАО «Кузнецов» от 15.07.2010 г. № 85/10 при финансовой поддержке Правительства Российской Федерации (Минобрнауки) на основании постановления Правительства РФ №218 от 09.04.2010);

• «Развитие теории и методов оптимального проектирования авиационных ГТД» в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)»;

• «Разработка методов анализа и концептуального проектирования газотурбинных двигателей и энергетических установок со сложными циклами на основе математического моделирования их термогазодинамических процессов» в рамках государственного задания Министерства образования и науки Российской Федерации;

• «Развитие теории и математическое моделирование термогазодинамических процессов газотурбинных двигателей (ГТД) и энергетических установок со сложными циклами» в рамках государственного задания Министерства образования и науки Российской Федерации.

Разработанные методы и средства нашли практическое применение в ОАО «Кузнецов» и СГАУ.

Методология и методы исследования. Общий методологический подход базируется на основных положениях теорий ГТД и лопаточных машин, современных методах математического моделирования сложных систем, теории и методах нелинейной оптимизации, методах системного анализа, теории и методах построения и реализации САПР.

Объектом исследования является проектирование рабочего процесса ГТД.

Предметом исследования являются методы и средства выбора параметров рабочего процесса ГТД, создаваемых на базе унифицированного газогенератора.

Положения, выносимые на защиту:

1. Метод выбора рациональных параметров рабочего процесса семейства газотурбинных двигателей, создаваемых на базе унифицированного газогенератора, позволяющий одновременно оптимизировать и параметры двигателей семейства и параметры газогенератора.

2. Компьютерные модели в САЕ-системе «АСТРА» для решения задачи выбора параметров рабочего процесса семейства ГТД, создаваемых на базе унифицированного газогенератора, и технология формирования компьютерных моделей.

3. Предложения по модификации унифицированного газогенератора для применения в составе ГТУ для газотурбовоза и наземной энергоустановки с целью повышения их эффективности.

Степень достоверности полученных результатов подтверждается корректностью постановки задачи, использованием апробированных теоретических положений и методов, а также удовлетворительной верификацией

разработанных моделей с моделями, используемыми в реальной практике проектирования ГТД.

Апробация результатов исследования.

Основные положения диссертационной работы, научные и практические результаты докладывались на IV Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы машиностроения» (Самара, 2012 г.); симпозиуме с международным участием «Самолетостроение России. Проблемы и перспективы» (Самара, 2012 г.); международном научно-техническом форуме, посвященном 100-летию ОАО «Кузнецов» и 70-летию СГАУ, (Самара, 2012 г.); на научно-технических совещаниях и семинарах СГАУ и ОАО «Кузнецов» (20102012 гг.).

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка использованных источников из 120 наименований. Общий объём работы составляет 149 страниц, 109 рисунков и 16 таблиц.

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР РАБОТ, ПОСВЯЩЁННЫХ ЭТАПУ НАЧАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГТД

1.1 Особенности авиационного ГТД как объекта проектирования

Проектирование авиационного ГТД - это относительно непродолжительный, но чрезвычайно важный по принимаемым решениям период жизненного цикла двигателя. В результате разработки проекта формируется необходимая информация как по двигателю в целом, так и по всем его элементам. Это, в конечном счёте, предопределяет облик двигателя, особенности его конструктивного воплощения, характер технологических процессов при производстве и условия эксплуатации [5].

Проектирование нового двигателя начинается с выбора параметров

___$

рабочего процесса: температуры газа перед турбиной Тг ; суммарной степени

*

повышения давления л к степени двухконтурности двигателя т (в случае ТРДД) и степени повышения давления в вентиляторе 7Г*В (для ТРДД). Выбору этих параметров предшествует определение их оптимальных значений. С точки зрения системного подхода в качестве критериев оптимизации не могут быть приняты критерии эффективности двигателя (такие как общий КПД, удельный расход топлива или удельная масса), поскольку двигатель является составной частью системы более высокого иерархического уровня (самолета). Оценить оптимальность его параметров можно только по критериям эффективности системы этого уровня, т.е. самолётным критериям [19]. Различают три уровня проектирования: концептуальный (выбор параметров рабочего процесса по самолётным критериям эффективности), первый (проектирование узлов) и второй (проектирование деталей) [19].

Концептуальный уровень проектирования начинается с формулирования задачи и разработки идеологии закладки двигателя. Главное его содержание -расчёты по оптимизации параметров двигателя, которые включают согласование

характеристик самолёта и двигателя и определение области компромиссного решения. А заканчивается он выбором двух - трёх вариантов двигателя, проектным термогазодинамическим расчетом и определением основных размеров их проточной части, составлением описания ("портрета") двигателя и выдачей технического задания на проектирование узлов.

Газотурбинный двигатель является большой и сложной технической системой, поэтому ему присущи общие закономерности проектирования таких систем. При этом его проектирование предполагает разработку рационального проекта на основе критериального подхода и решения определенной совокупности локальных оптимизационных задач по рабочему процессу, турбокомпрессору, входному, выходному устройствам и системе управления.

В настоящее время общепринятым является использование блочно-иерархического подхода к структуризации процесса проектирования сложного технического объекта. При этом возможны два вида членения исходной задачи проектирования на совокупность частных проектно-конструкторских задач. Первый из них обусловливает вертикальную, а второй - горизонтальную структуру процесса проектирования (рисунок 1.1).

Согласно первому виду членения весь процесс проектирования ГТД может быть представлен как множество последовательных уровней развития проекта. На каждом из них проектир�