автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Разработка и опытная проверка метода расчета и анализ особенностей характеристик биротативной турбины ГТД без промежуточного соплового аппарата

государственный комитет российской федерации

по высшему образованию

московский авиационный институт

УДК 621.438 На правах рукописи

ФАВОРСКАЯ НАТАЛИЯ ОЛЕГОВНА

разработка и опытная проверка метода расчета и анализ особенностей характеристик биротативноя турбины гтд без промежуточного соплового аппарата

Сшциальность 05.07.05

диссертации на соискание ученоа стешни кандидата технических наук

МОСКВА 1993

Работа выполнена в Московском Авиационном Институте.

Научныя руководитель - доктор технических наук, профессор Емин О.Н.

, Официальные оппоненты: доктор технических наук

Кодалэв С.З.;

кандидат технических наук, доцэнт Лазарев Л.Я.

Ведушре прэдпршггда: НПО им. В.Я.Климова, г.С.-Петербург

' Защита состоится "_"_ 1993 г.

на заседании специализированного Совета ССК 053.04.01 при Московском Авиационном Институте.

Адрес института: 125871 Москва, Волоколамское шоссе, д.4. С диесерггациэа можно ознакомиться в библиотеке МАМ. Автореферат разослан « 8 - р1993 г.

Ученыа секретарь специализированного Совета, кандидат технических наук, доцэнт

^¿¿С^у^ .В.Михаалова

- 3 -

РАЗРАБОТКА И ОПЫТНАЯ ПРОВЕРКА МЕТОДА РАСЧЕТА И АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ ХАРАКТЕРИСТИК БИРОТАТИВНОИ ТУРБИНЫ ГТД БЕЗ ПРОМЕЖУТОЧНОГО СОПЛОВОГО АППАРАТА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В послэдниэ 10-15 лет во всем мира происходи- очевидный рост интереса к биротатшным турбинам без промежуточного соплового аппарата, т.е. доухвальным турбинам, включающим одноступенчатую турбину высокого давления, состоящую из соплового аппарата (СА) и рабочего колзсз (РК), (в дальнейшем называемую 1-ой ступенью турбины) и одноступенчатую турбину низкого давления или свободную турбину, состоящую из одного только рабочего колеса со встречным нэправлэниэм вращения (называемую даже 2-ой стушнью турбины), см. рис. 1а и б. Исследованиями в этой области активно занимаются практически все вэдущиэ фирмы -разработчики авиационных ГТД, что связано с ростом уровня параметров авиационных двигаггвлэя и поиском новых путей товышения их экономичности, снижения веса и габаритов и уменьшения даны двигателей. Одной из перспективных схем такого двигателя является показанйая на рис. 1в сгвма ТРДЦ с гак называемыми приданными ступенями компрессора низкого давления. Кроме того, рассматриваются также и возможности ^пользования биротативиых турбин без промежуточного ¡оптового аппарата в энергетических ГТУ нового гокплания.

Основными преимуществами биротативных турбин (БТ) без ромежуточного соплового аппарата (САпр) перед турбинами

а)

СА.

йВй

CAJ /ГК\ /РК

Рис. 1. Схемы турбин: традиционная схема (а); биротативн; турбина без промежуточного соплового аппарата (б и турбокомпрессорная схема ТРДЦ с биротативной турбиной без промежуточного соплового аппарата (1

традиционных схем (т.е. такими турбинами, каждая ступень которых включает СА) является увеличение у дольной работы на единицу расхода газа в связи с большим, изменениэи углойого момента при большей относительной окружной скорости; уменьшение веса и рост КЦД при отсутствии САпр, так как исключаются соответствующиэ потери давления, потери на горетеканда и затраты на его охлаждение; возможность повышения общего КЦЦ турбины при уменьшении доли второго РК в обшэя работе, развиваемой турбиной, что как правило имеет место в высоконапорных ГТД; сниженда или дзш уравноввтиваннэ гироскопического момента, действушрго на летательный аппарат через опоры двигателя.

Однако, все указанные преимущзства БТ без САпр относятся к расчетному режиму их работы, особенности же характеристик таких турбин оставались неисследованными. Необходимость расчетно-теоретического и экспериментального исследования нерасчетных режимов работы БТ без САпр ясна из того, что, например, упомянутый выше выигрыш в КЦЦ на расчетном режима может нейтрализоваться худяими КПД на пониженных режимах или, может быть, даже ограничить область реальных режимов работы турбины. А так как предлагаемые варианты применения БТ без САпр включают и многорежимные двигатели, то вопросы их работы на нерасчетных режимах являются актуальными и имеют практическое значение.

Цэль работы состоит' в расчетно-теоретическом и экспериментальном исследовании характеристик двухступенчатой 51 без САпр для выявления их особенностей в сравнении с турбинами традиционных схем.

Основные задачи:

- разработать методику расчета характеристик БТ баз САпр с учетом особенностей рабочего процзсса таких турбин;

- разработать на базе этой методики компьютерную программу для расчета характеристик как БТ без САпр, так и турбин традиционных схем;

провести экспериментальное исследование особенностей характеристик БТ без САпр на стенда модельной биротативной турбины;

- провести расчетный анализ характеристик БТ без САпр в сравнении с характеристиками турбин традиционых схем (БТ с САпр и турбины с однонаправленным вращэнием роторов) на примерз турбины дяя шрсшктивного высокотемгоратурного ТРДД.

Научную новизну диссертационной работы представляют:

- разработанная методика расчета характеристик БТ без САпр;

- эксшриментально подтвержденное наличие у БТ без САпр особых режимов работы 2-го РК - режимов нулэвых и отрицательных пусковых моментов на 2-ом РК, возникающих при определенных режимах работа 1-ой ступени БТ;

- эксшриментально подтвержденное сильное влияние режима работы 1-ой ступени БТ на параметры 2-го РК и возникающиэ в связи с этим ограничения поля возможных режимов работы БТ без САпр;

- результаты расчетного анализа характеристик БТ без САпр в сравнении с характеристиками турбин, традиционных схем, показавшие более высокие КЦЦ БТ без САпр при работе на пониженных режимах, однако более быстрое уменьшение работы такой турбины в сравнении с турбинами традиционных схем вследствие резкого падения приведенных оборотов еа 2-ой

ступени.

Достоверность полученных результатов подтверждается согласованностью расчетных и экспериментальных данных, в том чиого тестированизм разработанной методики и программы расчета характеристик на примере экспериментальных характеристик натурной турбины двигателя АМ-5, методически обоснованным планом поставленных опытов на. стенда модальной БТ, а такяга высокой степенью надежности автоматизированной системы измерений, сбора и обработки экспериментальной информации.

Практическая данность заключается в том, что на основе разработанной математической модели были созданы алгоритм и прикладная программа для расчета характеристик как БТ без САпр, так и турбин традиционных схем, необходимые для проведения предварительной оценки характеристик двигателей различного назначения.

Личный вклад автора заключается в разработке методики расчета характеристик БТ без САпр и программы расчета характеристик разных типов турбин; проведении расчетов и анализе результатов расчетного исследования; участии в создании экспериментального стенда модельной БТ, планировании, подготовке и проведении экспериментальных исследований; обработав и анализе опытных данных; разработав рекомендаций, слздущга из анализа результатов работы.

Реализация. йзультаты проведенного исследования использовались при выполнении комплексной

научно-исслздовагтальской темы кафедры 201 по созданию теории и методов подЗора параметров перспективного ТРДЦ с предельным значенная температуры газа в камере сгорания.

Доложенные на ведучэм предприятии материалы проведенного исследования могут использоваться для предварительной оцэнки характеристик двигатвлэй пврспэктивных схем.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались

на:

- мавдународной студенческой научной конференции "Памяти пионеров космонавтики и астронавтики", г.Москва, 1990 г.;

- хххш Всесоюзной научно-технической сессии по проблемам газовых турбин, г.Николаев, 1990 г.;

- НГС ШО им.В.Я.Климова, г.С.-Петербург, 1991 г.;

- международной конференции "Авиация - пути развития", г.Москва, 1993 г.;

- научно-техническом совете кафедры 201 МАИ, г.Москва, 1993г.

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 2-х статьях и 3-х научно-технических отчетах по темам, выполняемым в проблемной лаборатории каф. 2Ш МАИ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изломана на 222 страницах,, включает ' 141 страницы машинописного текста, иллюстрирована 72 рисунками, в таблицами и состоит из введения, четырех глав, выводов и списка использованной литературы из 145 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В 1 глава приведены обзор научно-технической литературы го исследованию БТ без САпр, обзор существующих методов расчета характеристик газовых турбин, а также методов априорной оцзнни аэродинамических потерь в проточной часта и углов на выходе из лопаточных решеток турбин при расчета

характеристик, обоснована ' актуальность проблемы и сформулированы задачи исследования.

Выполненный обзор исследования БХ без САпр показал, что такая схема турбины считается весьма перспективной для применения в ГТД и ГТУ нового поколения. Из рассмотренных материалов следует, что применение БТ в авиационных ГТД мошт дать выигрыш в КПД турбины на расчетном режиме до 1,5.Л,9%, позволит увеличить температуру газа на lOCf (при той же температуре материала лопаток) и стегонь повышения давления на 25..30Х (при сохранении одноступенчатой турбины компрессора), а также даст выигрыш в весе до 4% от взлетного веса самолета.

В известных расчетно-тэоретических и экспериментальных исследованиях рассматриваются различные асгокты рабочего процесса БТ без САпр на расчетном режиме, в том числа и в сравнении с турбипами градационных схем, и сформулированы их основные преимущества на этом режиме. Вопросы жа нерасчетных режимов работы БТ без САпр, возможные особенности протекания характеристик и их отличие от характеристик турбин традиционных схем в рассмотренных работах не затрагивались. Однако, растущий интерес к БТ без САпр, широкие персдактивы их применения в различных типах ГТД и ГТУ делают исс-гадованиэ характеристик этого типа турбин актуальным и имеющим практическое значение.

Обзор известных одномерных методов расчета характеристик турбин показал, что эти методы отличаются друг, от друга, главным образом, выбором независимых, переменных и способами учета потерь в проточной часта- и углов на выходе из лопаточных венцов. Они базируются на обютх допущениях о

соответствии осредненных по высоте проточной части параметров потока параметрам на среднем диаметре, об осесимметричности и установившемся характере течения газа, цилиндричности линий тока, о сохранении распределения работы, потерь и конфигурации потока по высоте лопатки, соответствующего расчетному режиму, и на нерасчетных режимах. В основе всех одномерных методов расчета характеристик лежат уравнения энергии и неразрывности, записанные для расчетных сечений турбины. Существуют также общиэ ограничения их применимости, связанные, во-пэрвьос, с отрывными явлениями при больших углах атаки и, во-вторых, с возникновением зоны обратных токов у корней лопаток на режимах с малыми значениями степени реактивности ступени и перераспределением параметров штока по высоте лопатки. На основании проведанного обзора за базу для разработки методики расчета характеристик биротативной турбины была выбрана методика, разработанная ранее на кафедре 201 МАИ.

В обзоре способов априорной оцзнки потерь в проточной части турбины и углов на выходе из лопаточных венцов рассматрены известные обобщенные зависимости, в том числа учитывающею влияние режимных параметров стугони (таких как угол атаки на решетке соплового аппарата или рабочего колеса, числа Ее и числа Маха), и выбраны -зависимости для использования в методике расчета характеристик БТ без САпр.

По результатам обзоров сформулированы основные задачи исследования.

Во второй главе излагается разработанная методика расчета характеристик двухступенчатой БТ без САпр и проводится . анализ основных расчетных уравнения, описывается

созданная на основа этой методики компьютерная программа и приводятся результаты тестирования методики и программы с использованием экспериментальных характеристик натурной турбины двигателя АМ-5.

Главной особенностью расчета БТ без САпр является то, что параметры на выхода из РК i-ой ступени являются одновременно параметрами на входа в рк 2-ой ступени - т.е. как бы параметрами за неким фиктивным СА, в котором отсутствуют потери и поворот потока: хн= хт и aJt= <*1И (см. рис. 2а). Таким образом, если режим работы 1-ой ступени определяется, как у обычной ступени с СА, двумя независимыми переменными (в данной методика это и дяя до критических режимов течения в РК ступени и \ и ~ Д®

сверхкригических режимов, причем критические режимы определялись как соответствующие максимуму плотности тока = вах - в са и »ркч <»*„,) = max - в рк), то для 2-ой ступени одна из этих независимых переменных (\It) У»е задается режимом работы i-ой ступени, т.е. не Является независимой, и режим работы 2-ой ступени определяется параметрами за i-ой ступенью и одним независимым параметром -соотношением оборотов ступеней ni/nj. Следовательно, для расчета суммарных характеристик БТ без САпр необходимо сначала определить параметры 1 -ой ступени на выбранном нерасчетном режиме и далее, задавшись соотнотениэм оборотов nj/ni, рассчитать параметры 2-ой стутени. При этом суммарные характеристики двухступенчатой БТ без САпр будут определяться тремя независимыми переменными: к , *-ul (*-IVI) и ni/nt.

Кроме того, полз возможных режимов работы i-ой ступени ограничивается наступлением критических • режимов во 2-ом РК (см. рис. 2г). При необходимости расчета дальнейшего расширения на двухступенчатой турбине независимой гвременной

Рис. 2. Треугольники скоростей: а) расчетный режим работы 1-оя и 2-ой ступеней БТ без САпр;

б) холостой ход 2-ого РК при работе 1-ой ступени на ее расчетном режиме; в) особый режим работы 2-го РК м «= О, п « О и соответствующий ему режим работы 1-ой ступени; и

ПР„ прн

г) поле характеристик 1-ой ступени БТ без САпр с ограничениями, вносимыми 2-ой ступенью.

становится *-2и„.

Анализ расчетных уравнения показал, что параметры \21= = К и а - а ,ИВ ОСОбвШЮСТИ а, МОГУТ ИЗШНЯТЬСЯ В

III 21 III' 21 "

весьма широких прэделах. Это определяет ряд особенностей рабочего процэсса БТ без САпр. Для такого типа турбин характерным является то, что достаточно незначительному изменению режима работы 1-ой ступени соответствует существенное изменение режима работы 2-ой ступени. В частности, это выражается и в том, что при росте числа оборотов 1-ой стушни 2-е РК может быстро выходить на режим холостого хода. Для примера на рис. 26 показаны треугольники скоростей 2-ой стушни БТ на режиме холостого хода при работа 1-ой стушни на ее расчетном режиме. Как.можно понять из рис. 2з и б, с ростом и1 и, соответственно, а холостой ход 2-ого РК будет достигаться при все меньших и11. Кромэ того, у БТ без САпр существуют особые режимы работы, когда мпр11» 0 и Г1а= 0, т.е. при определенном сочетании параметров за вращающимся 1 -ым ■ РК 2-е РК может теоретически оставаться неподвижным. Треугольники скоростей 1-оа и 2-ой стушни на таком особом режиме показаны на рис. 2в. Очевидно, что у турбин традиционных схем, имеющих примерно постоянные значения угла' а за САпр, тага® режимы существовать не могут. Режимы с мпр„= 0 и п2= О могут бьггь нанесены на полз характеристик 1-ой стушни в виде линии (рис. 2г>, делящей это пола характеристик на две области: в одной из них пусковые моменты на заторможенном 2-ом РК больше нуля, т.е. это РК будет раскручиваться в направлении своего рабочего вращэния, в другой же пусковые моменты меньше нуля и 2-е РК начнет раскручиваться в направлении против рабочего направления врэщэния (так называемые "режимы контргаза" в терминологии судовых турбин). Режимы нулевых пусковых

моментов на невращащэмся 2-ом РК ограничивают область возможных режимов работы двухступенчатой БГ баз САпр в цвлом, делая ее значительно уже, чем у турбин традиционных схем.

Разработанная программа расчета характеристик двухступенчатой БТ без САпр написана на алгоритмическом языке Фортран-77 и предназначена для компьютеров типа 1вм рс. Исходными данными являются геометрические параметры 1-ой и 2-ой ступеней. Структурная схема программы показана на рис. 3. Црограша включает в себя модуль расчета 1-ой ступэни, тред запуском . которого необходимо задать независимые-- переменные х ^ и х , и модуль расчета 2-ой ступэни (предварительно задается независимая переменная п/Ъ^). Причем модуль расчета 1-ой ступени может быть использован и самостоятельно как для расчета характеристик одноступенчатой турбины с СА, так и джя последовательного' расчета характеристик ступеней многоступенчатой турбины традиционной схемы.

Достоверность расчетных данных, получаемых при использовании разработанной методики и программы расчета характеристик ступени с СА (1-ой ступени БГ без САпр), была оценена путам сравнения этих данных с экспериментальными характеристиками натурной турбины двигателя АМ-5, испытанной в ЦАГИ. Насколько известно, эти характеристики ранее не были нигде опубликованы. Тестирование расчетной методики на примере 1-ой и 2-ой ступеней турбины АМ-5 показало, что хорошее совпадение расчетных И экспериментальных данных может быть подучено вплоть до 50..6035 от расчетного значения п , что вполне достаточно, дяя расчетного анализа характеристик.

В третьей главе описан экспериментальный стенд "Модельная биротативная турбина", созданный в МАИ 15м непосредственном участии диссертанта, приведена программа

начало )

Рис. 3 . Структурно схэма программи расчета характеристик биротативноЯ турбина.

экспериментального исследования и ее обоснование, а также методика обработки результатов эксперимента с оцзнкоя их погрешности, показаны результаты, полученные при испытаниях модельной БТ без САпр, в сравнении с данными расчета характеристик этой турбины. /"

Стенд создан на базе сорияного турбостартера 1С-12М, характерной особенностью конструкции турбины которого является применение встречного направления вращения ротора свободной турбины с промежуточным СА. Схема стенда представлена на рис. 4. Стенд работает на наддув с выхлопом в атмосферу через шахту шумоглушния. На стенда используются два гидротормоза: четрырехдасковыа 43260 и однодисковый 1ГрТ326. Установка оснащена традиционной для турбинных стендов системой измерения интегральных параметров и осредненных параметров потока в проточной части турбины в ее характерных сечениях, а также автоматизированной системой регистрации и обработки опытных данных в темпе зксшримента на основе системы КАМАК. Управление работой стенда полностью дистанционное с пульта стенда.

' С учетом основных погрешностей всех измерительных каналов с датчиками ИКД, не превышающих г 0,32, и при реализации степени расширения на турбине < 2,5,

относительная погрешность в определении расхода рабочего тела не превышала ± 1,5Ж; крутящих моментов ± 0,5?; чисел оборотов 1 0,3%, а погрешность в определении КОД составляет t 1,8%.

Для экспериментального исследования характеристик модельной БТ без САпр было специально спроектировано новое облопачивание второго РК, однако из-за возникших трудностей с его изготовлвнизм было решено проводить эксперименты, используя штатное облопачиванив рабочих колес БТ турбостартера ТС-12М и исключив САпр. Очеввдзо, что в этом

случае геометрия лопаток РК 2-ой ступени существенно не Соответствует параметрам потока, определенным для расчетного режима исходного турбостартера, однако, такая конструкция позволяла, тем не менее, провести исследований нерасчетных режимов БГ без САпр на качественном уровне, и в том числе граничных режимов работы 2-го РК (пусковых моментов и режимов холостого хода).

Исаю дуемая турбина имела следующие геометрические параметры:

г ступень:

- сопловой аппарат: оср= 0,198 м; с>ср/Ь = 5,3; ьА = 1,567;

- рабочее колесо: о » 0,198 м; о /Ъ = 4,77; ьл = 1,358;

ср ср

27,38°;

2 ступень:

- рабочее колвсо: оср= 0,208 м; г>ср/Ь = 3,94; ьА = 1,305; П. = 62°; П, = 35,9°.

щ * Лэф '

Программа экспериментального - исследования включала снятие характеристик 1 -ой ступени БТ при демонтированном 2-ом РК; определение пусковых моментов на 2-ом РК и' режимов холостого хода 2-го РК при разных режимах работы (пт и пт) 1-ой ступени.

На рис. 5а представлены полученные аксшриментальныа графики изменения пускового момента на 2-ом РК БТ без САпр в зависимости от режима работы ее 1 -ой ступени, определяемого параметрами и хи1, в сравнении с расчетными данными. Как видно из рис. 5а, экспериментально подтверждено существование нулевых пусковых моментов на 2-ом РК.

Характеристики холостого хода 2-го РК показаны на рис. 56. Из соображения прочности этого РК при снятии с него нагрузки исследовались только режимы с небольшими птГ. Как

а)

0,0

I *

Ч 1 \

ч \ *

к? \ Л,, 1о,7 5

\ N К V

К \ V

\

№ У м

V ч ' *

ч я ¿4 \

Я N

ш V у ОА \

ч \ < ч

К ч V

0.2 0.3 0,4 0,5

4 ,! 1

11 .

. Г \ *

к.*

у 1 \

\ i v { Лп 1,16

£ \ /

Ч Г к

\ к

N к

А л

1.Ь .л 4

I

45

0.0 0.05 0.1 0,15 0.2 0,25 X.

Рис. 5. Характеристики 2-оа стушни модальной БТ без САпр: а) пусковые моменты: М = г (к х

при х И» Лцх'1

■ г<\л- "«>: •

б) режимы холостого хода: к

* и!1

экспериментальные точки*

расчет.

X -

следует из рис. 55, при постоянном г^ с ростом х 2-о РК выходит на режим холостого хода при. все меньших X . Это объясняется, Как уже говорилось, ростом угла а на выхода из 1-оа ступени, равного углу на входа во 2-е РК {углу за "фиктивным" СА) о<1Н, что при малЬ изменяющаяся величине угла /52и привода1 к уменьшению возможно достижимого максимального значения и (и, соответственно, х ).

II * " иХХ

тах х . х .

Кроме того, получено достаточно хорошее согласование расчетных и экспериментальных данных на большая части полученных пожй характеристик, что подтверждает применимость разработанной методики при расчете характеристик также и 2-ой ступени БТ без САпр.

В четвертой главе проводится расчетный анализ характеристик двухступенчатой-БТ без САпр для перспективного высокотемпературного ТРДЦ (рис. 1в) в сравнении с характеристиками двухвальных турбин традиционных схем - БТ с САпр и турбины с однонаправленным вращением роторов.

Все три рассматриваемых типа турбин имели одинаковые исходные параметры, определенные из термогазодинамического расчета. двигателя:

. ер = 103,4 кг/с; т* = 2400.К; р" = 2,9 МПа;

"■л = 55,8 МВт«.Мтх1 = 15,1 МВт!

п2 = 12000 об/мин;:п = 10000 об/мин;

о = сог^. = 0^87 к; г. - 0,191 мг. ср т,

Для упрощения расчетов предполагалось, что лопатки турбин изготовлены из материала типа керамики или С-С, т.е. турбины рассматривались ноохлаждаемыми.

Геометрические параметры сравниваемых турбин и их кинематические параметры на расчетном режиме представлены в табл. 1. Из табл. 1 видно, что турбины традиционных схем (1 и 2 варианты) икзвт одинаковую 1-ую .ступень.

Таблица 1

1 ступень, 1 и 2 варианты (турбины традиционных схем):

р С 11 с* а° < л° 1 а° 2 и с ад

0.4 1 ,СЬ8 0,947 0,465 15,5 38,6 24,5 61,9 0,471

2 ступень, 1 вариант (однонаправлзнноэ вращзнкэ роторов):

а° о а° 1 1 и с ад

0,65 0,73 0,515 62 43,7 104,7 43,6 95 0,65

2 ступзнь, 2 вариант (БТ с САпр):

XV С2 о о а° < и с ад

0,65 0,73 0,514 118 43,5 104,4 43,7 95 0,65

1 ступзнь, 3 вариант (БГ баз САпр):

Р X с »1 - < и о ад

0,8 ■0,863 1,09 0,586 15,8 50,9 22,8 49,6 0,454

2 ступень, 3 вариант (БТ без САпр):

Ч- < Ц с ад

0,769 0.5 ИЗ 39 88 0,66

Были проделаны расчеты полей возможных режимов работы турбин без учета ограничении, накладываемых работой в системе двигателя, что позволило на этом конкретном примере проиллюстрировать выводы об особенностях поля характеристик БТ без САпр, сделанные в главе 2.

Так как вами не ставилась цэль рассмотрения совместной работы злзментов двигателя с различными типами турбин, то для проведения сравнения схем при работа в системе двигателя был выбран простейший вариант линий рабочих режимов турбин, соответствующих линиям рабочих режимов компрессоров с I- -- п*.

Из проделанных расчетов следует, что даже при изменении режима работы 1-ой ступени БТ без САпр только го выбранной линии рабочих режимов величина угла аи изменяется болэе чем на 20°, что естественно сильно влияет на режим работа 2-ого РК.

Некоторые результаты сравнительного анализа характеристик 3-х вариантов турбин при изменении режимов их работы по линии рабочих режимов представлены на рис. ва и б. Из рис. ва слэдует, что суммарный КОД БТ без САпр на пониженных режимах будет выше суммарного КЦЦ турбин традиционных схем вплоть да -75Х п , на болэе глубоких

П р»сч '

нерасчетных режимах КЦЦ всех трех схем протекает примерно одинаково. Причем характеристики турбин традиционных схеа с противоположным н однонаправленным врацввявм роторов мало отличаются друг от друга (фактически различив определяется величиной газодинамических потерь в САпр). Однако, при этом приведенная работа я суммарная степань гонтавения давления на БТ без САпр будут падать несколько резче, чем у турбин двух других вариантов, в основном за счет более сильного падения работы 2-ой стугвни это« турбины при резком снижении ее

1 .03 1.02 1.0> 1.0 0,Од 0.88 0.97

О,ее

0,65

-1-

I стут-'.ик

2 »тусенк

I ступе»^

и55

х. 2 ступени

0,в • 0.7

О.в

0.8

0.9

0.8

0.7

/

/

/

/ !

_■ « /

У

/

I

8 I

О.в 0,7 0,в 0.9 1,0

Рис. в. Сравнение характеристик трех вариантов турбины шрешктивного ТРДЦ при работа на пониженных режимах: а> изменение КПД турбин; б) измонениэ параметра г^/г^;

-- БТ без САпр; --- БТ с САпр;

— ---турбина с однонаправленным вращэнивм роторов. .

о.а

приведенных оборотов на пониженных режимах (см. рис. 66).

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

В результате проведенного исследования сформулированы основные вывода:

1. Разработана методика аналитического расчета характеристик двухступенчатой биротэтивной турбины без промежуточного соплового аппарата с использовавши современных обобщенных статистических данных о составляющих газодинамических потерь в проточной части. Проведенное тестирование разработанной методики с использованием имеющихся опытных характеристик натурной турбины двигателя АМ-5 подтвердило возможность использования данного метода учета потерь при расчете-характеристик.

2. Разработана и отлажена компьютерная программа расчета характеристик двухступенчатой биротэтивной турбины, позволяющая учесть ограничения, связанные с возникновением критических режимов в проточной части, и проанализировать особенности рабочего процесса в такой турбине в широком диапазоне изменения режимов.

3. Анализ основных уравнений, описывающих рабочий процесс двухступенчатой биротэтивной турбины без промежуточного СА указал на существование у такой турбины особых режимов работы второго рабочего колеса, возникновение которых связано с широким диапазоном изменения кинематических параметров за первой ступенью, являющихся одновременно параметрами на входе во второе РК: режимов нулевого газодинамического момента на этом рабочем колесе и,

следовательно, областей его прямого и обратного вращения.

4. Особые режимы, названные в п.З, могут быть представлвны на поле характеристик 1 ступени биротативной турбины в вида линии, разделяющее его на две области: области положительных и отрицательных моментов па втором РК. При этом область положительных моментов соответствует рабочему направлению вращения 2-ой стугояи; область ш отрицательных пусковых моментов соответствует так называемым режимам контргаза, т.е. обратному вращению второго РК.

5. Поле возможных режимов работы двухступенчатой биротативной турбины оказывается существенно ограниченным в сравнении с голвм характеристик турбин традиционных схем по причинам, указанным в п.4, и в такиг турбинах второе РК быстрее выходит на режим холостого хода • (Нпр1,= 0; г>п= = п,1х х * 0), причем при одинаковом пусковом момента приведенные обороты холостого хода будут меньше на режимах с большим приведенным расходом.

6. Проведенное .экспериментальное исследование характеристик модельной биротативной турбины без промежуточного СА и их сравнение с расчетной характеристикой подтвердило применимость разработанной методики и компьютерной программы расчета характеристик биротативных турбин. Экспериментально подтверждено также существование режимов нулевого момента на втором РК и двух областей, в которых момент имеет разный знак. Исследование режимов холостого хода второго РК при нескольких фиксированных значениях пт5; показало быстрый выход _ этого РК на рэжимы холостого хода с ростом приведенных оборотов РК 1-ой ступени, что также согласуется с данными теоретического анализа.

•7. Проведенный сравнительный расчетный анализ характеристик трех возможных типов турбины для пврсгоктивного

высокотемшратурного ТРДЦ - биротативной турбины без. промежуточного СА и двух традиционных двухвальных схем с промежуточным СА (с однонаправленным и противоположным вращэнивм роторов) - показал, что при изменении режимов работы турбины го линии рабочих режимов, соответствующей гипотетическому компрессору (ь^ ~ п2), биротативная турбина без промежуточного СА имеет на пониженных режимах более высокие суммарные КЦЦ, чем турбины традиционных схем, однако у турбин этого тала происходит более быстрое падвню приведенной работы второй ступени вслздствда более резкого снижения ее приведенных оборотов.

Основные материалы диссертации опубликованы в работах:

1 .Фаворская Н.О. Совершенствование метода аналитического расчета характеристик авиационных газовых турбин с использованием ЭВМ в режиме диалога.//Тезисы докладов Международной студенческой научной конференции "Памяти пионеров космонавтики и астронавтики", Москва, 1890.

2.Фаворская Н.О., Екин О.Н. и др. О возможности использования биротативной турбины в высокотеишратурных ГТД и ГТУ.//Тезисы докладов хххти Всесоюзной научно-технической сессии ш проблемам газовых турбин, Николаев, 1990.

3.Фаворская Н.О. Комплекс программ ш расчету на ЭВМ характеристик биротативной турбины без промежуточного соплового аппарата. 1ехн. отчет N 5 го теме 201-02"П* "Фокусировка", Москва, ИЛИ, НИ0-201, 1990.

4.Фаворская Н.О. Учет потерь при расчете характеристик авиационных газовых турбин на ЭВМ.//Сб.тр.МАИ Теоретические я экспериментальные исследования ВРД"» Москва, 1981.

.5.Фаворская Н.О., Шляхтенко С.М., Кошер Д.С., ЕУин О.Н., Свидерскии Э.Ф. "и др. Расчетно-теоретическое и. эксгориментальное исследование рабочего процесса в ГТД с предельным значением температуры рабочего тела. Техн. отчет по теш 20i-9i-03, Москва, МАИ, ЯИО-201, 1991.

в.Фаворская И.О., Емин О.Н. Особенности характеристик двухступенчатой биротативной турбины без промежуточного ¡оптового аппарата.//ИВУЗ, сер. "Авиационная техника",, 'азань, 1993 (в гочати).

7.Фаворская И.О., Емин Q.H., Кузнецов В.И. Исследование ечений в проточной части а характеристик двухступенчатой иротативной турбины без .промежуточного соплового аппарата, эхн. отчет по теш 56800-02015, Москва, МАИ, НИ0-201, 1993.

8-Фаворская Н.О., Емин О.Н., Грицай С.Д., Кузнецов В.И. роблвмы испытания турбин с противоположным направлением эащения в авиационных ГТД.У/Газисы докладов Международной шференции "Авиация - пути развития", Москва, 1993.