автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.06, диссертация на тему:Рабочий процесс компрессоров в системе ГТД на режимах авторотации

Основные обозначения.

Введение.

1. Анализ состояния проблемы и постановка задачи исследования

1.1. Явление авторотации в практике эксплуатации ГТД.

1.2. Исходная модель явления авторотации на основании уравнения частного баланса мощности.

1.3. Экспериментальные исследования и модель явления авторотации на основании уравнения Эйлера.

1.4. Модели явления авторотации ГТД на основании уравнения общего баланса мощности.

1.5. Постановка задачи исследования.

1.6. Выводы по главе 1.

2. Анализ уравнения общего баланса мощности для ГТД различных схем.

2.1. Уравнение общего баланса мощности для ТРД.

2.2. Уравнение общего баланса мощности для ТРДД.

2.3. Выводы по главе 2.

3. Экспериментальное исследование работы ТРДД и компрессоров на режимах авторотации.

3.1. Установка испытания ТРДД.

3.2. Результаты экспериментальных исследований ТРДД

3.3. Установка испытания изолированных компрессоров.

3.4. Результаты экспериментальных исследований изолиро- 68 ванных компрессоров.

3.5. Выводы по главе 3.

4. Теоретическое исследование рабочего процесса компрессоров ГТД на режимах авторотации.

4.1. Методика расчета параметров осевой ступени компрессора на заданном режиме.

4.2. Результаты расчета одноступенчатого КНД ТРДД на режимах авторотации по одномерной и квазидвухмерной моделям.

4.3. Эквивалентные лопаточные машины.

4.4. Способ представления характеристик компрессора в области нерасчетных режимов.

4.5. Выводы по главе 4.

5. Теоретическое исследование режимов авторотации ГТД

5.1. Математическая модель режимов авторотации одноконтурного ТРД.

5.2. Анализ результатов расчета режимов авторотации ТРД

5.3. Математическая модель режимов авторотации двухваль-ногоТРДДг.

5.4. Анализ результатов расчета режимов авторотации ТРДД2.

5.5. Выводы по главе 5.

Обш,ие выводы и заключение.

Современный уровень развития авиационной техники предъявляет новые повышенные требования к двигательным установкам летательных аппаратов (ЛА), От них требуются не только высокая эффективность в области расчетного режима, но и оптимизация параметров во всем диапазоне эксплуатационных режимов. Совершенство двигательных установок с газотурбинными двигателями (ГТД) определяется согласованием всех элементов проточной части, и особенно эффективностью компрессора ГТД [26, 27, 33, 37, 38, 39],

Режимы авторотации (установившееся вращение ротора под действием скоростного напора при отсутствии подачи топлива или дополнительного подвода механической мощности от стартера) являются определяющими в формировании конструктивного облика небольших специализированных ГТД, предназначенных для запуска в полете [42]. Эти режимы также оказывают существенное влияние на безопасность полетов, поскольку определяют условия запуска в воздухе маршевых двигателей ЛА в нештатной ситуации. Основное влияние на условия такого запуска оказывают параметры воздуха за компрессором ГТД [Г.

Современное состояние теории лопаточных машин не позволяет с достаточной точностью описывать глубоко нерасчетные режимы работы компрессоров, в там числе режимы авторотации. До настоящего времени нет достоверной физической модели таких режимов, а экспериментальные данные носят ограниченный и фрагментарный характер. Для решения практических задач, связанных с выбором параметров расчетного режима ГТД и его компрессора с учетом эксплуатации на режимах авторотации, необходимы достаточно точные методы представления характеристик компрессора в этом диапазоне. Таким образом, исследования в этой области актуальны и имеют большое значение.

Помимо авиационной техники, исследования режимов авторотации актуальны при совершенствовании судовых двигательных установок с ГТД [5, 7, 8, 23, 24], а в ряде случаев - наземных энергетических установок, создаваемых на базе ГТД авиационного типа [9, 10].

Ранее экспериментальные исследования работы компрессора в системе авторотирующего ГТД выполнили Л.И.Слободянюк и В.И.Дайнеко [11, 12, 13, 14, 15, 16, 35, 36]. Основы анализа совместной работы элементов ГТД на режимах авторотации заложены С.И.Барсуковым в соавторстве с В.И.Кузнецовым [3, 4]. В дальнейшем большой объем теоретических исследований режимов авторотации ГТД различных схем выполнен в Омском государственном техническом университете профессором В.И.Кузнецовым [18, 19, 20, 21].

Целью настоящей работы является экспериментальное исследование рабочего процесса компрессоров в системе ГТД на режимах авторотации и вывод на основе экспериментальных данных зависимостей, позволяющих математически моделировать такие режимы. В работе использованы экспериментальные и теоретические методы исследования.

Математическая модель режимов авторотации ГТД опирается на результаты теоретических исследований В.И.Кузнецова. В результате выполненных исследований однозначно определен характер рабочего процесса компрессора в системе авторотирующего ГТД. Предложен способ представления характеристик компрессора в широком диапазоне режимов, включая режимы авторотации.

Практическим результатом проведенного исследования является создание инженерных методик расчета режимов авторотации ГТД различных схем, позволяющих осуществлять оптимальный выбор параметров расчетного режима ГТД и его компрессора с учетом эксплуатационных требований к режимам авторотации.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований:

1) Показана целесообразность и необходимость работ по экспериментальному и теоретическому исследованию процессов, соответствующих работе ГТД на режимах авторотации.

2) Выполнена серия экспериментальных исследований работы ТРДД на режимах авторотации, а также его компрессоров низкого и высокого давления в области режимов, близкой к режимам их работы в системе авторотирующего двигателя. Подтвержден линейный характер зависимостей приведенных расхода воздуха и частоты вращения компрессоров от эквивалентного числа Маха набегающего потока и компрессорный (гидротормозной) режим их работы по средним параметрам (лгЛ <1,0; АГл. >0) при М = 0,4.0,7.

3) На основании обобщения результатов экспериментальных данных составлена методика расчета характеристик ступени осевого компрессора и выполнен анализ работы одноступенчатого компрессора низкого давления в системе авторотирующего двигателя по одномерной и квазидвухмерной моделям. Выявлено наличие области турбинных режимов (л-л, < 1,0; АТ1 < 0) в периферийной зоне проточной части компрессора при сохранении компрессорного (гидротормозного) режима по средним параметрам. Данные результаты позволяют представлять компрессор в системе авторотирующего ГТД в виде совокупности эквивалентных лопаточных машин: компрессора и воздушной турбины.

4) Предложен способ представления характеристик компрессора во всей области его рабочих режимов в системе двигателя, включая режимы авторотации двигателя, и линии режимов авторотации на характеристиках компрессора. В рамках одномерной модели компрессор представляется как совокупность последовательно расположенных устройств: идеального компрессора, в котором осуществляется изоэнтропическое сжатие ( (л-Л-5 >1,0; АГЛ. >0) и сосредоточенного гидравлического сопротивления

4<ио).

5) Выполнено теоретическое исследование режимов авторотации ГТД различных схем на основе уравнения общего баланса мощности и составлены их математические модели. Математические модели включают уравнение общего баланса мощности ГТД в форме В.И.Кузнецова, основные выражения теории ГТД и зависимости для параметров компрессора на режимах авторотации. При этом теоретический напор идеального компрессора на режимах совместной работы аппроксимируется параболической, а коэффициент восстановления полного давления сосредоточенного сопротивления компрессора по линии режимов авторотации - линейной зависимостью от приведенной частоты вращения.

6) Составлены инженерные методики расчета режимов авторотации ТРД и ТРДД2 и выполнена оценка влияния различных параметров расчетного режима ГТД на характер протекания линии режимов авторотации.

7) Предложенные методики рекомендуются для практического использования при выборе параметров расчетного режима ГТД для оптимизации его параметров на режимах авторотации с учетом эксплуатационных требований.

Проведенные исследования предполагают дальнейшее продолжение работ в данном направлении с целью уточнения математических моделей и повышения точности расчетов. Для этого необходимо получить дополнительные экспериментальные данные, в частности, определить двухмерную картину распределения параметров по проточной части ГТД, осо

-160бенно компрессора и его отдельных ступеней, на режимах авторотации. В области теоретических исследований предполагается использовать полученные в данной работе материалы для построения математических моделей ГТД других конструктивных схем и создания соответствующих методик расчета режимов авторотации.

Полученные результаты могут быть рекомендованы к применению при проектировании ГТД, диапазон эксплуатационных режимов которых включает запуск с режимов авторотации. Обоснованный выбор расчетных параметров ГТД с учетом этих режимов позволяет оптимизировать массо-габаритные параметры, конструктивный облик компрессора и полноразмерного ГТД и обеспечить их надежность и эффективность.

1. Алабин М.А., Кац Б.М., Литвинов Ю.А. Запуск авиационных газотурбинных двигателей. - М.: Машиностроение, 1968. - 228 с.

2. Барсуков СИ., Кузнецов В.И. Расчет параметров газотурбинных двигателей на режиме авторотации. Новосибирск: НИСИ, 1978. -60 с.

3. Барсуков СИ., Кузнецов В.И. Авторотация газотурбинных двигателей. Иркутск: Изд-во Иркутского университета, 1983. - 91 с.

4. Гительман И.А. Динамика и управление судовых газотурбинных установок. Л.: Судостроение, 1974. - 320 с.

5. Гольдберг Ф.И., Рабинович И.А. Потери давления при просасы-вании воздуха через неподвижный осевой компрессор // Судостроение, 1966.-№ 11.-0.24-26.

6. Горелов В.И. Эксплуатация корабельных газотурбинных установок. М.: Воениздат, 1972. - 312 с.

7. Гофлин A.n., Шилов В.Д. Судовые компрессорные машины. -Л.: Судостроение, 1977. 272 с.

8. Гриценко В.И. Опыт создания первого теплохладоэнергетиче-ского агрегата с газовой турбиной авиационного типа // Наземное применение авиадвигателей в народном хозяйстве. М.: 1982. - с. 88-96.

9. О.Гриценко В.И. Основы теории и расчет теплохладоэнергетиче-ских агрегатов. Омск, 1994. - 100 с.

10. П.Дайнеко В.И. К вопросу исследования авторотации газотурбинного двигателя на пусковых режимах. Авиационная техника. Изв. вузов. - 1985.-№1.-с.17-20.

11. Дайнеко В.И. К вопросу определения потерь давления в компрессоре ГТД на режимах авторотации. Авиационная техника. Изв. вузов. - 1986. - №4. - с.84-86.

12. П.Дайнеко В.И. К вопросу исследования режимов авторотации ГТД. Авиационная техника. Изв. вузов. - 1987. - №4. - с.72-73.

13. И.Дайнеко В.И. Построение универсальной характеристики компрессора в области малых режимов и на режимах авторотации. Авиационная техника. Изв. вузов. - 1991. - №4. - с. 30-34.

14. Дайнеко В.И. Исследование потерь давления при продуве воздуха через осецентробежный компрессор на пусковых режимах. Деп. Укр-НИИНТИ №3443-Д82.

15. Довжик С.А. Исследования по аэродинамике осевого дозвукового компрессора. М.: Изд. отдел ЦАГИ. - 1968. - Вып.1099. - 278 с.

16. Клочков С.А. Основы расчета пускового устройства турбокомпрессора // Труды научно-технического общества судостроительной промышленности. 1958. - Т.8. Вьш.1. - с. 95-132.

17. Кузнецов В.И. Метод расчета параметров ТРД на режиме авторотации. Авиационная техника. Изв. вузов. - 1982. - №3. - с. 52-55.

18. Кузнецов В.И. Авторотация турбореактивных двигателей. Деп. в ВИНИТИ ГА 22.05.87. - №521-га87. - 9 с.

19. Кузнецов В.И. Замыкающее уравнение для описания работы ВРД. Деп. в ЦНТИ ГА 16.05.88. - №643-га88. - 22 с.

20. Кузнецов В.И. Аналитический метод расчета характеристик ГТД на режиме авторотации. Деп. в ЦНТИ ГА 16.05.88. - №644-га88. -26 с.

21. Курзинер Р.И. Реактивные двигатели для больших сверхзвуковых скоростей полета. -М.: Машиностроение, 1989. 120 с.

22. Курзон А.Г. и др. Газотурбинные установки морских судов. М.: Транспорт, 1967.-495 с.

23. Маслов Л.А. Судовые газотурбинные установки. Л.: Судостроение, 1973. - 400 с.

24. Наталевич A.C. Воздушные микротурбины. М.: Машиностроение, 1970.-208 с.

25. Нечаев Ю.Н., Федоров P.M. Теория авиационных газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1977. - Ч. 1. - 312 с.

26. Нечаев Ю.Н., Федоров P.M. Теория авиационных газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1978. - 4.2. - 336 с.

27. Новосельцев Д.А. Теоретическая модель работы авиационного одновального ГТД на режиме авторотации // «XXIV Гагаринские чтения». Тезисы докл. Всероссийской молодежной научной конференции. Апрель 1998. М.: МГАТУ, 1998. - 4.2. - с. 32-33.

28. Новосельцев Д.А. Анализ работы ГТД на режиме авторотации. // Динамика систем, механизмов и машин: Материалы III Международной научно-технической конференции. Омск: ОмГТУ, 1999. - с.239-240.

29. Новосельцев Д.А. Исследование рабочих процессов компрессоров ТРДД на режимах авторотации. // Современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения. Омск: Изд-во Ом-ГТУ, 2001.-Ч. 1.-С. 131-133.

30. Пономарев Б.А. Настоящее и будущее авиационных двигателей. М.: Воениздат, 1982. - 235 с.

31. Селезнев К.П., Подобцев Ю.С., Анисимов С.А. Теория и расчет турбокомпрессоров. Л.: Машиностроение, 1968.-406 с.

32. Слободянюк Л.И., Дайнеко В.И. Определение потерь давления компрессора ГТД на режимах пуска // Энергетика. Изв. вузов. 1979. -№10.-с. 97-99.

33. Слободянюк Л.И., Дайнеко В.И. Исследование режимов авторотации газотурбинного двигателя, Авиационная техника. Изв. вузов. -1980.-№1.-с. 106-109.

34. Стечкин Б.С. и др. Теория реактивных двигателей. М.: Оборон-гиз. - 1958.-533 с.

35. Теория воздушно-реактивных двигателей / Под ред. С.М.Шляхтенко. -М.: Машиностроение, 1975. 568 с.

36. Теория двухконтурных турбореактивных двигателей / Под ред. С.М.Шляхтенко и В.А.Сосунова. -М.: Машиностроение, 1979. 432 с.

37. Холщевников К.В. Теория и расчет авиационных лопаточных машин. М.: Машиностроение, 1970. - 610 с.

38. Холщевников К.В., Емин О.Н., Митрохин В.Т. Теория и расчет авиационных лопаточных машин. М.: Машиностроение, 1986 - 432 с.- 165

39. Методика обработки результатов испытаний ТРДД

40. Bh барометрическое атмосферное давление (Па); Тлл - полная температура в лемнискатном мерном коллекторе (К); АЯЛд. - перепад между полным и статическим давлением в мерном сечении коллектора (Па);

41. AjPgл избыточное статическое давление в мерном сечении (Па); л*кнд - избыточное полное давление за КПД (Па); АР/ОД - избыточное статическое давление за КВД (Па); ГЛвд - полная температура за КПД (К); рл-вд - полная температура за КВД (К);

42. АЛс перепад между атмосферным давлением и давлением в боксев области среза сопла (Па);

43. Пщ,Пщ частоты вращения роторов низкого и высокого давления1. Гц).

44. Методика расчета параметров ТРДД по JIPA составлена автором на основе методики расчета параметров на рабочих режимах 43. Обработка результатов измерений в каждой точке в системе единиц СИ ведется в сле-дуюш;ем порядке.

45. Статическое и полное давление в мерном сечении магистрали наддува:

46. Рв,=Вк + АРв, -лвх ~ лвх ллвх2. Полное давление за КПД:

47. Статическое давление за КВД:

48. При малых скоростях потока за КВД полное давлениелквд ~ лквд

49. Степень повышения полного давления КНД:р1. Акнд ~ лкнд лвхл'лпв

50. Степень повышения полного давления КВД:р'лквд ~ лквд лкндлпк7. Работа КНД:1. Акнд ~ Ср (Ткнд ~ 'Авх)8. Работа КВД:

51. Имитируемое статическое давление в области среза сопла:1. Р„ =ВЬ-АЬс

52. Ю.Газодинамическая функция Л(Я) в мерном сечении:1. К + ГРвХ \вХ L 1- £ЪЬк 2 у V ллвх У К-1 1 лРвх у

53. Измеренный расход воздуха ТРДД (КНД):л кр РвХ л РвХ Ч(. Лвх) 1'ЛвХ

54. Приведенный расход воздуха ТРДД (КНД):101330 т лвпр сл , 28Х

55. Приведенная частота вращения КНД:288Т288лпрквд ~ лед.1. V кнд

56. Имитируемое число Маха полета:1. М = лвХл'-' пв -11. К-1 к РнЛвХ )

57. Методика обработки результатов испытаний изолированныхкомпрессоров

58. Bh барометрическое атмосферное давление;tl полная температура воздуха на входе в лемнискатный воздухозаборник;

59. APq избыточное статическое давление в мерном сечении воздухозаборника;fp полная температура в ресивере;

60. АРр избыточное статическое давление (разрежение) в ресивере;4 полная температура за компрессором;

61. АР'р. избыточное полное давление за компрессором;частота вращения стендового электродвигателя.

62. Методика расчета параметров является типовой для испытаний компрессоров различной конструкции 441- Вычисления производятся автоматизированной системой измерений в каждой точке измерения в режиме реального времени.

63. Параметры в мерном сечении лемнискатного воздухозаборника0.0):: л Е 4 + 273,15

64. Статическое давление в мерном сечении:1. Л01. Ло=Л;-:М;аро2'о /=1

65. Газодинамическая функция Л(Д) в мерном сечении:к-\л л9(Л)= --,—-1р yPoJл 1

66. Измеренный расход воздуха:

67. Сй = Л01 ' л ; с Л Г 7 Л )

68. Параметры воздуха в ресивере (Р-Р):2; = :Л1;4 + 273,15

69. Параметры воздуха на входе в компрессор:t =т* л вх л рвх =РР*гг'вх Для КНД = 1,0, для КВД ал, = /(Л,).

70. Приведенный расход воздуха через компрессор:101325 I г;, '-'впр — ^ Р*х V 288,15

71. Полная температура за компрессором (К-К):1. П =Л14 + 273,1 5

72. Полное давление за компрессором (К-К):1. Pl-Bh + ^Y^AP',, •tj

73. Степень повышения полного давления в компрессоре:к р*

74. Полная энтропия на входе в компрессор:

75. Six = лХх + «2 + (АзТЦ + аХвх + алУ

76. Полная адиабатическая энтропия за компрессором:

77. Sl,=Sl,+W'R\nzl R = 287,023 Дж/(кг К) газовая постоянная воздуха.

78. Полная адиабатическая температура за компрессором:вх

79. Н.Полная энтальпия на входе в компрессор:- С\Твх +С2 + (сЛТЛх + сД'вх + а5)а

80. Полная энтальпия на выходе из компрессора:

81. Полная адиабатическая энтальпия на выходе из компрессора:

82. Адиабатический КПД компрессора:1. ЛвхлКад ~ ЛВХ

83. Измеренная частота вращения компрессора:

84. Приведенная частота вращения компрессора:288,151. Пх

85. При определении средних параметров 2л число исправных датчиков, показания которых не выходят за границы диапазона измерения датчиков данного номинала. Показания неисправных датчиков автоматически выбрасываются системой измерений.

86. Инженерная методика расчета режимов авторотации одноконтурного ТРД

87. Предлагаемая методика предназначена для расчета параметров JIPA одновального одноконтурного ТРД со сверхкритическим соплом при отсутствии отборов воздуха.

88. ГЛо полная температура на входе в компрессор, К;

89. Г*о полная температура на входе в турбину, К;1. Алгоритм расчета:

90. Определение параметров расчетного режима ТРД

91. Безразмерная работа компрессора на расчетном режиме1. Л 1 1

92. Относительный подогрев воздуха в ТРД на расчетном режиме1. Л0 ~ Tp*/Tf*Q

93. Эквивалентный коэффициент восстановления полного давления компрессора на расчетном режиме1. ККО1 + л/<-о)л

94. Определение параметров максимального режима авторотации

95. Максимальная относительная приведенная частота вращенияI1. ПпР тах1. Ло -ко

96. Максимальная степень повыпхения полного давления компрессора2 к-\лКтах ~ 'лКО

97. Максимальный относительный приведенный расход воздуха1 + fк тах 1 1КО1. G впр тах 2лКО \\ + £,ллПпР

98. Максимальный адиабатический КПД компрессора1. ЛК Та х-11. Лк- -2коПпРтах

99. Максимальная степень сжатия от скоростного напора-Vmax1. АК тах'-го

100. Число Маха установления максимального режима1. ЛЛтах = , ЛКтах -1к-\

101. Определение параметров ЛР А при М < М---3.1. Относительная приведенная частота вращенияМ1. ППР=ПпРтах1. Мл.х

102. Относительный приведенный расход воздуха1. ПпР max

103. Изоэнтропическая степень повышения давления компрессора

104. Эквивалентный коэффициент восстановления полного давления компрессора1. Ппр ( * л . ППР max

105. Измеренная степень повышения полного давления компрессора

106. Адиабатический КПД компрессорак' -1аЛЛппр

107. Определение параметров JIPA при М > Мллл

108. Для всех скоростей полета при М > Мллл сохраняются значенияi t ПпРтах, и ВПР max, Л"/Лтах ' Л К max •

109. Инженерная методика расчета режимов авторотации ТРДД2

110. T//Q полная температура на входе в двигатель, К;

111. ГАо полная температура в камере сгорания перед ТВД, К.1. Алгоритм расчета:

112. Определение параметров расчетного режима ТРДД 1.1. Безразмерная работа КНД1. ЖНДй к КНД 0 л КНД о12. Безразмерная работа КВД1. Лквдо Лквдо ~ 11. Лквдо

113. Эквивалентный коэффициент восстановления полного давления КНД1. КНД о1. КНД о1 + %ядо)*-'

114. Эквивалентный коэффициент восстановления полного давления КВДя КВД о ллквдо к

115. Относительный подогрев воздуха в ТРДДТ