автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Разработка методики определения изменений коэффициента давления и КПД овевых нагнетателей подъемных систем СВП вследствие технологических отклонений и эксплуатационных нарушений геометрии проточной части

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. АНАЛИЗ МЕТОДОВ УЧЕТА ВЛИЯНИЯ НАРУШЕНИЙ 1ШЖГРИЧЕС-КИХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ ПРОТОЧНЫХ ЧАСТЕЙ ЛОПАТОЧНЫХ МАШИН НА ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ.

1.1. Обзор публикаций.

1.2. Анализ предпосылок для разработки способа учета влияния малых отклонений геометрических параметров элементов проточных частей осевых нагнетателей на их характеристики.

Глава 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ КОЭФФИЦИЕНТА ДАВЛЕНИЯ И КПД СТУПЕНИ ОСЕВОГО НАГНЕТАТЕЛЯ ПРИ ОДНОВРЕМЕННОМ НАЛИЧИИ НЕСКОЛЬКИХ МЕСТНЫХ ОТКЛОНЕНИЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ.

2.1. Теоретические основы определения изменений аэродинамических параметров ступени осевого нагнетателя

2.2. Методика расчета изменений коэффициента давления и КПД ступени осевого нагнетателя вследствие технологических отклонений и эксплуатационных нарушений геометрических параметров элементов проточной части.

2.3. Упрощенная методика для ускоренного определения изменений коэффициента давления и КПД нагнетателя вследствие нарушений основных геометрических параметров элементов проточной части

Глава 3. ЭКСПЕШ'ЖНТАЛЫШЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ МЕСТНЫХ 0Т- КЯОНЕНИЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ НАГНЕТАТЕЛЯ НА ЕГО АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ.

3.1. Условия проведения испытаний.

3.2. Результаты исследования влияния местных отклонений формы поверхности входного устройства на работу модельного нагнетателя.

3.3. Результаты исследования влияния местных отклонений формы поверхности диффузора на работу модельного нагнетателя.

3.4. Результаты исследования влияния искажений формы профиля рабочих лопаток на работу нагнетателя

3.5. Результаты исследования влияния скола рабочих лопаток на работу модельного нагнетателя.

3.6. Результаты исследования влияния отклонений угла установки рабочих лопаток на работу нагнетателя

3.7. Результаты исследования влияния отклонений радиального зазора рабочих лопаток на работу нагнетателя

Глава 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОПУСКОВ НА РАЗМЕРЫ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ НАГНЕТАТЕЛЯ С УЧЕТОМ ВЕРОЯТНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОТКЛОНЕНИЙ ЭТИХ РАЗМЕРОВ.

4.1. Определение вероятностных характеристик изменения коэффициента давления и КПД нагнетателя вследствие технологических отклонений формы поверхности входного устройства.

4.2. Определение вероятностных характеристик изменения коэффициента давления и КПД нагнетателя вследствие технологических отклонений формы поверхности диффузора

4.3. Определение вероятностных характеристик изменения коэффициента давления и КПД нагнетателя вследствие технологических отклонений формы поверхности рабочих лопаток.

4.4. Определение вероятностных характеристик изменения коэффициента давления и КПД нагнетателя вследствие технологических отклонений углов установки и радиального зазора рабочих лопаток.

Руководствуясь решениями ХХУ1 съезда КПСС [I], партия и советское правительство постоянно уделяют большое внимание развитию всех видов транспорта, в том числе морского и речного флотов страны, в состав которых в настоящее время вводятся новые транспортные средства такие, как суда и аппараты на воздушной подушке (СВП и АВП). Отечественная и зарубежная практика их использования, как это видно, например, из работ [2,3,4,5,6,7], продемонстрировала высокую эффективность этих средств, обусловленную большой скоростью движения и высокой проходимостью. Одновременно можно отметить, что перспективы применения АВП постоянно расширяются. Кроме применения на морском и речном транспорте, имеются проекты использования их в качестве ледокольных судов, а также в таких областях деятельности, как сельское хозяйство, геологоразведка и т.п. Наряду с использованием СВП в гражданском секторе экономики СССР, они находят применение и в ВМФ.

Одним из основных направлений развития СВП является увеличение их грузоподъемности. Так например, в США и Франции по заказам ВМС ведутся проектно-исследовательские работы по созданию скего-вых противолодочных кораблей на воздушной подушке грузоподъемностью 3000 и 5000 т, а в перспективе, как это следует из работы [7] - авианосцев грузоподъемностью до 50000 т. Аналогичные разработки ведутся и в других странах. Кроме того, тенденцию роста грузоподъемности СВП показывает статистика постройки этих судов за 1960-80 годы, показанная в публикации [в]. Рост грузоподъемности означает необходимость повышения давления и производительА ности нагнетателей подъемной системы СВП. Это же обуславливает выделение значительной доли мощности энергетической установки судна на привод нагнетателей этой системы, которая составляет 30-40% общей мощности пропульсивной установки амфибийных СВП. В связи с этим становится весьма актуальным вопрос повышения экономичности подъемной системы СВП, поскольку это ведет к снижению расхода топлива, а следовательно, к увеличению либо дальности плавания при фиксированном запасе топлива, либо грузоподъемности при заданной дальности плавания. В масштабе страны вопрос экономичности тесно связан с топливно-энергетической проблемой, при решении которой советское правительство исходит из принципа рационального использования энергетических ресурсов, что особенно важно с точки зрения возможной ограниченности запасов органического топливного сырья. Это положение было особо отмечено на октябрьском Пленуме ЦК КПСС 1980 года. 0 возможности и необходимости повышения экономичности СВП говорят изложенные в статье [ 9 ] результаты исследований английских разработчиков, которые утверждают, что эксплуатационные расходы по СВП можно снизить на 50%. В этой статье отмечается, что одним из основных путей к достижению этой цели является повышение экономичности нагнетателей подъемной системы.

Расширенное строительство СВП предполагает в перспективе переход к крупносерийному изготовлению нагнетателей подъемной системы с одновременным их совершенствованием. Одним из основных вопросов при этом становится вопрос получения стабильных аэродинамических характеристик серийных нагнетателей. Главными причинами, вызывающими разброс и постепенное изменение последних, являются неизбежные при любом технологическом процессе изготовления,правильной эксплуатации нагнетателей погрешности изготовления и эксплуатационный износ его элементов, приводящих, как правило, к снижению аэродинамических параметров. Значения погрешностей геометрических параметров элементов проточной части при их изготовлении зависят от величин допусков на эти параметры, которые, в свою очередь, влияют на стоимость нагнетателей. Поэтому для определения оптимальных допусков на изготовление деталей и монтаж узлов нагнетателей следует исходить из стремления избежать, с одной стороны, чрезмерного удорожания производства вследствие излишне жестких допусков, а с другой - снижения давления и КПД нагнетателя из-за больших технологических отклонений геометрии элементов проточной части (ГЭПЧ), которые возможны при завышенных значениях допусков. В настоящее же время допуски на изготовление деталей и монтаж узлов нагнетателей определяются на основе анализа опыта проектирования, изготовления и эксплуатации ранее выпущенных конструкций. Как показала расчетная оценка, проведенная в работе [Ю] , такой принцип ведет к изменениям давления и КПД серийных низконапорных центробежных вентиляторов типа ЦС, изготовленных со средней степенью точности, в пределах Ъ% от номинального значения при доверительной вероятности 0,9. Аналогичные примеры можно привести и для других лопаточных машин. Так например, результаты статистической обработки испытаний серии шнеко-центробежных насосов, приведенные в статье [II], показали, что изменение напора насоса вследствие технологических отклонений ГЭПЧ колеблется в пределах 3-5% от номинального значения. При проектировании нагнетателей СВП, которые должны обеспечить надежный подъем и удержание судна в режиме висения в условиях изменения режима работы нагнетателя в широком диапазоне, такой принцип определения допусков может оказаться неприемлемым.

В последнее время проблеме получения стабильных энергетических характеристик турбомашин, в том числе и нагнетателей СВП,уделяется большое внимание, поскольку нестабильность характеристик ведет к ненадежной работе установок или систем, содержащих эти машины. Ненадежная работа судовых систем, связанных с обеспечением движения судна, может привести к аварии. Например, анализ аварий СВП, проведенный в работе [2], показал, что снижение давления нагнетателя увеличивает вероятность опрокидывания судна. На практике же имеются факты разброса энергетических характеристик серийных турбомашин. Так например, статистический анализ результатов испытаний серийно изготовленных центробежных насосов, проведенный в статье [13], показал, что до 10% насосов имеют характеристики по напору, не соответствующие техническим условиям. Такое положение, вполне естественно, не может быть приемлемьм для ответственных установок и систем. Приведенный в этой работе анализ причин, вызвавших такое отклонение энергетических характеристик насосов от характеристик опытного образца, показал, что основной из них является наличие значительных технологических отклонений ГЭПЧ.Поэтому в процессе совершенствования нагнетателей СВП для повышения стабильности их характеристик требуется более обоснованный принцип определения допусков.

Эксплуатация нагнетателей СВП происходит в условиях повышенной влажности воздуха, являющегося их рабочей средой, с периодическим значительным насыщением его либо мелкодисперсно распыленной морской водой, либо твердыми частицами с абразивными свойствами. Такие условия, как показала практика, приводят к эрозионно-коррозионному износу поверхностей элементов проточной части нагнетателей СВП, интенсивность которого превосходит интенсивность износа элементов нагнетателей и вентиляторов других назначений. В результате этого наблюдаются значительные нарушения ГЭПЧ, особенно профильной части поверхности рабочих лопаток, как это установлено в работе [14]. Нарушения ГЭПЧ могут также возникнуть в результате обледенения при эксплуатации нагнетателя в условиях пониженных температур. Следствием подобных нарушений может, в свою очередь, стать заметное изменение характеристик нагнетателя,аналогичное их изменение вследствие технологических отклонений ГЭПЧ. Изношенные элементы нагнетателя подлежат замене. Однако при этом встает вопрос об определении допустимого уровня износа. Этот вопрос в полной мере можно решить только на основе комплексного анализа влияния эксплуатационных нарушений ГЭПЧ нагнетателя и на его прочностные, вибро-акустические и аэродинамические характеристики. Эксплуатационные нарушения наиболее напряженных элементов нагнетателя - рабочих лопаток, как показали приведенные в работе [14^ результаты их осмотра в процессе эксплуатации, обычно размещаются на периферии лопаток. Поэтому статическая и динамическая прочность рабочих лопаток в этом случае не ухудшается. Указанные нарушения могут, конечно, вызвать дисбаланс рабочего колеса (РК) и, как следствие, появление повышенных вибраций, однако эти отрицательные явления можно ограничить, подвергая РК нагнетателей периодической балансировке. Что касается аэродинамического аспекта влияния всей совокупности эксплуатационных нарушений ГЭПЧ нагнетателей на их характеристики, то до настоящего времени он оставался недостаточно изученным, что не позволяет правильно установить допустимый с аэродинамических позиций уровень износа элементов проточных частей нагнетателей СВП. Между тем, знать этот уровень очень важно, так как с увеличением эксплуатационного износа элементов проточной части аэродинамические характеристики нагнетателей пропорционально ухудшаются. Восстановить же их, как в случае с вибрационными характеристиками - путем использования повторных балансировок, практически невозможно.

Важность задачи повышения эффективности всей подъемной системы и нагнетателя, как его главной части, обуславливается взаимным влиянием работы нагнетателя и главного двигателя, что хорошо видно из следующего анализа. В настоящее время для крупных амфибийных СВП в качестве главных двигателей энергетической установки используются исключительно газотурбинные двигатели (ГТД), имеющие по сравнению с другими типами двигателей лучше массогабарит-ные показатели. Стремление увеличить единичную мощность ГТД для улучшения технико-эксплуатационных показателей энергетической установки часто вынуждает проектантов объединять нагнетатели и движители в группы, имеющие привод от одного двигателя. При этом распределение мощности главных двигателей между нагнетателями и движителями зависит от типа СВП и режима его движения. Так по данным работы [15] удельная мощность нагнетателей на полном ходу в расчете на одну тонну полной массы скеговых СВП составляет 1020 л.с./т, а у амфибийных судов - 35-45 л.с./т. Удельная мощность движителей составляет при этом соответственно 30-40 л.с./т и 4050 л.с./т. При маневрировании амфибийных СВП мощность нагнетателей может превышать мощность воздушных винтов.

Для анализа влияния изменения характеристики нагнетателя на работу ГТД рассмотрим, в качестве примера, совместную работу нагнетателя и сети подъемной системы амфибийного СВП с сопловой схемой образования воздушной подушки, совмещенные характеристики которых изображены на рис.1. Как правило нагнетатель эксплуатируется при определенной частоте вращения ротора П , поэтому статический рабочий режим нагнетателя и сети расположен в точке I пересечения характеристики давления А, т.е. графической зависимости давления в функции производительности нагнетателя при П= СОПэЬ , с расходно-напорной характеристикой сети Б при постоянной массе судна. Рабочая точка I на характеристике КПД В , т.е. графи- , ческой зависимости КПД в функции производительности при п-соп&ь , будет соответствовать номинальной производительности Ином . При ухудшении характеристик нагнетателя вследствие Т0ЭН ГЭПЧ происходит смещение исходных характеристик давления А и',КПД В в положе

Рис. I.■■ Совместная работа сети. и нагнетателя 'подъемной системы СВП при смещении характеристики нагнетателя ние А' и В' соответственно. Результатом этого является перемеще- ' ние рабочего режима по характеристике сети из точки I в точку 2 с уменьшением производительности и давления нагнетателя на вели

Л" чину Ай и Сф соответственно. Вследствие этого происходит снижение давления воздуха в ресивере и высоты подъема СВП на величину д/?= /?-/?' (рис.1). Уменьшение производительности и давления нагнетателя приводит к снижению потребляемой им мощности, однако, как видно из рис.1, одновременное падение КПД нагнетателя уменьшает этот эффект. В настоящей работе, в качестве примера, было проведено расчетное определение напорно-расходной характеристики подъемной системы амфибийного СВП массой 300 т над твердым экраном в соответствии с методикой [8]. На основании полученной характеристики подъемной системы был выбран нагнетатель с требуемой аэродинамической характеристикой, который используется на действующих судах. Для учета ухудшения характеристик нагнетателя они эквидистантно смещались в сторону снижения давления и КПД, что наблюдается на практике при эксплуатационном износе элементов нагнетателя. Максимальная величина относительного смещения характеристики давления бри - Ъ% выбиралась исходя из рекомендаций по допустимому снижению характеристик вентиляторов общесудовых систем, а два других значения бри = 1% и ф// = 3% выбирались как промежуточные. Величина относительного смещения характеристики КПД и вычислялась пропорционально При на основе данных работы [14]. Далее, с помощью метода последовательных цриближений, в точках пересечения расходно-напорной характеристики и смещенных характеристик нагнетателя на ЭВМ вычислялись изменения параметров режима совместной работы сети и нагнетателя подъемной системы СВП. Результаты этих расчетов приведены в таблице I.

Уменьшение высоты подъема СВП означает увеличение сопротивле- ' ния движению судна на волнении, что, в свою очередь, увеличивает

Таблица I.

Изменения параметров режима совместной работы сети и нагнетателя подъемной системы СВП при смещении характеристик нагнетателя

Наименование изменения параметра Относительная величина изменения параметра в процентах

Смещение характеристики давления -1,0 -3,0 -5,0

Смещение характеристики КПД -0,39 -1,19 -2,01

Изменение производительности -0,36 -1,12 -1,90

Изменение давления -0,36 -1,10 -1,86

Изменение мощности -0,34 -1,03 -1,74

Изменение высоты подъема СВП -0,47 -1,42 -2,41

Компенсирующее изменение частоты вращения 0,25 0,84 1,42

Величина компенсирующей мощности при увеличении частоты вращения 0,60 1,80 4,50

Компенсирующее изменение угла установки лопаток РК 1,02 3,07 5,12

Величина компенсирующей мощности при увеличении угла установки лопаток РК 1,65 4,95 9,75 нагрузку на ГТД. В результате описанного явления теряется скорость хода судна, поскольку мощность ГТД ограничивается определенной температурой газов перед турбиной. Падение давления воздуха в ресивере увеличивает вероятность "подлома" гибкого ограждения за счет снижения его упругости. Как показано в работе [12], "подлом" гибкого ограждения приводит к скачкообразному уменьшению восстанавливающего момента, смещению центра давления относительно центра тяжести и, как следствие, к опрокидыванию судна. Нетрудно видеть, что перечисленные факторы, вызванные смещением характеристики нагнетателя в сторону уменьшения давления и производительности, ведут к ухудшению основных технических характеристик СВП и прежде всего таких как скорость хода и безопасность плавания.

Для восстановления технических характеристик СВП, сниженных в результате отрицательного действия эксплуатационных нарушений ГЭПЧ нагнетателя, на практике пользуются двумя способами; повышением частоты вращения и увеличением угла установки лопаток РК. При этом рабочая точка на характеристике сети перемещается из положения 2 в первоначальное положение I, причем из-за малости рассматриваемых изменений характеристик нагнетателя происходит практически эквидистантное смещение характеристики давления из положения А* в положение А (рисЛ). Следует отметить, что в первом случае характеристика давления, практически совпадающая с исходной характеристикой давления А, будет соответствовать новой частоте вращения РК ПкомпУП , во втором - той же частоте вращения П , но при другой величине угла установки лопаток РК.Смещение характеристик КПД нагнетателя при изменении частоты вращения и угла установки лопаток РК происходит несколько по разному. При изменении П в рассматриваемом узком диапазоне практически не происходит смещение оптимального режима, а уменьшение КПД в этом случае обусловлено только отрицательным влиянием местных нарушений ГЭПЧ. Поэтому рабочая точка на характеристике КПД будет находиться на смещенной характеристике В' в положении I' , т.е. когда Д и • При увеличении угла установки лопаток РК происходит более заметное смещение оптимального режима на величину влияния местных нарушений ГЭПЧ, так и за счет отклонения рабоче

Д £2 0/7/7? (см.рис.1) и уменьшение КПД происходит за счет го режима от оптимального имеем

Для оценки количественных данных, характеризующих описанные выше изменения, были проведены расчеты компенсирующего увеличения частоты вращения, по приведенным в работе [16] выражениям, и соответствующего увеличения потребляемой мощности АА/о , также увеличения угла установки рабочих лопаток по методике [17] и соответствующему ему Результаты этих расчетов представлены в общей таблице I. Анализ этих данных показывает, что для сохранения на заданном уровне технических характеристик и безопасности плавания СВП при больших эксплуатационных отклонениях ГЭПЧ требуется выделение дополнительной мощности. Причем, при повороте лопаток РК эта мощность возрастет больше. Кроме того, увеличение угла установки ухудшает работу нагнетателей в области малых про-изводительностей, вследствие усиления явлений, связанных с неустойчивой работой. В свою очередь, увеличение частоты вращения "': приводит к повышению нагрузок на элементы ГТД и, как следствие, к уменьшению его срока службы. Поэтому своевременное определение с аэродинамической точки зрения состояния нагнетателя позволит уменьшить время работы привода нагнетателей с ухудшенными характеристиками, что в конечном счете, обеспечит увеличение срока службы главных двигателей.

В приведенном анализе рассматривались только статические изменения параметров нагнетателя подъемной системы СВП. Вместе с тем совершенно очевидно, что нарушения ГЭПЧ нагнетателя приведет и к изменению динамики поведения СВП в режиме висения, особенно в условиях волнения на море. Эта сложная самостоятельная задача в данной работе не рассматривалась, однако ясно, что и в этом случае возможность определения предельного с аэродинамической точки зрения состояния нагнетателя чрезвычайно важна.

Уместно также отметить, что экономическая целесообразность учета влияния эксплуатационного износа элементов проточной г^сти турбомашин на их энергетические характеристики подтверждаются работами, проведенными и в области турбостроения. В публикации [18] приводятся результаты экспериментального исследования влияния эрозионного износа на экономичность паровой турбины, показывающие, что через 5-6 лет работы ступеней турбины на влажном паре их КПД уменьшается на Ь%. Проделанный в этой же работе технико-экономический анализ показал, что от своевременного ремонта турбины, произведенного на основе правильного учета влияния эрозионного износа на ее работу, можно получить экономию в расчете на одну турбину 50-70 тыс.руб. в год.

Из проведенного анализа современного состояния развития СВП вытекает вполне определенная цель настоящей работы - разработка обоснованных методик оценки изменений аэродинамических параметров нагнетателя в процессе его изготовления или эксплуатации, что обеспечит повышение качества проектирования, изготовления и эффективности эксплуатации нагнетателей подъемной системы, как составной части энергетической установки СВП. Анализ отечественных и зарубежных публикаций показал, что до настоящего времени обоснованной методики, позволяющей в полной мере решить задачу контроля и прогнозирования изменений характеристик нагнетателя вследствие ТОЭН ГЭПЧ, не существует. Это обстоятельство подчеркивает актуальность поставленной задачи.

На данном этапе развития СВП распространенным типом нагнетателей подъемной системы являются осевые нагнетатели, у которых по сравнению с центробежными выше КПД. Кроме того, для осевых нагнетателей в настоящее время имеется более развитая теория расчета, чем для центробежных. А поскольку задача определения изменений давления и КПД нагнетателя вследствие комбинации отклонений геометрических параметров его элементов с учетом их вероятностного характера является очень сложной и требует выполнения значительного объема специальных исследований, то целесообразно сначала решить эту задачу применительно к осевым нагнетателям. Исходя из этого, диссертант выносит на защиту следующие основные результаты, полученные при решении задачи определения влияния ТОЭН геометрических параметров элементов проточной части осевого нагнетателя на его аэродинамические параметры:

1. Теоретические положения для определения изменений аэродинамических параметров нагнетателя вследствие локальных искажений потока газа в его проточной части, вызванных местными отклонениями геометрии ее элементов.

2. Методику определения изменений коэффициента давления и КПД нагнетателя при различных сочетаниях измеренных местных отклонений геометрических параметров основных элементов его проточной части, которыми могут быть как производственные неточности изготовления и сборки, так и эксплуатационные износы и повреждения.

3. Методику определения допусков на размеры основных элементов нагнетателя с учетом вероятностных характеристик технологических отклонений геометрических параметров этих элементов.

Использование указанных результатов позволит получить объективную количественную информацию и правильно решить такие важные вопросы, возникающие при проектировании, изготовлении, эксплуатации и определении предельного состояния нагнетателя, как установление оптимальных допусков на изготовление деталей и монтаж узлов нагнетателя и обоснованной величины его ресурса, а также разработка браковочных рекомендаций для дорогостоящих деталей. Это позволит снизить себестоимость изготовления нагнетателя и эксплуатационные затраты для СВП без недопустимого снижения его технических характеристик.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

На основании анализа выполненных исследований и разработок можно заключить, что поставленные в работе задачи диссертантом решены и получены следующие основные результаты.

I. С помощью нового решения известных уравнений энергообмена в лопаточной ступени получены уравнения, связывающие изменения коэффициента давления и КПД нагнетателя с локальными изменениями параметров потока, вызванными совокупностью различных местных отклонений геометрии проточной части. При этом используются принципы теории малых отклонений и замена непрерывного интегрирования по окружности суммированием интегралов по ее отдельным участкам, включающим местные отклонения геометрии проточной части. Наряду с обычными допущениями, принимаемыми при исследовании потоков в турбомашинах, введено допущение о том, что каждое местное отклонение геометрии не вызывает изменения характера влияния на поток других отклонений. Полученное таким образом решение, в отличии от других методов, позволяет более подробно и правильно учесть одновременное влияние любого числа неодинаковых местных отклонений и нарушений геометрии элементов проточной части нагнетателя на изменение его коэффициента давления и КПД. Причем это решение позволяет учесть влияние такого существенного и часто встречающегося местного отклонения геометрии, как искажение формы поверхности элементов нагнетателя, что практически невозможно осуществить при использовании других методов. Проведенные в диссертации для проверки теоретических разработок экспериментальные исследования показали, что опытные и расчетные значения коэффициента давления и КПД ступени при различных вариантах отклонений геометрии проточной части различаются в среднем на 3% относительных. Кроме того, экспериментальные исследования ступени с отклонениями геометрии основных элементов проточной части подтвердили вытекающий из введенного допущения принцип суммирования изменений коэффициента давления и КПД нагнетателя, вызванных отдельными отклонениями геометрии элементов проточной части.

Z, На основе полученных уравнений разработан новый метод определения изменений коэффициента давления и КПД осевого нагнетателя вследствие технологических отклонений и эксплуатационных нарушений геометрии элементов проточной части с использованием результатов продувок элементов нагнетателя как с исходной, так и с искаженной геометрией. Необходимые для использования в новом методе эмпирические зависимости получены диссертантом. Дополнительные эмпирические зависимости взяты из работы 19 . Использование в разработанном методе опытных результатов испытаний отдельных элементов проточной части, а не всего нагнетателя, как в других методах, позволяет при дальнейшем развитии метода значительно проще и дешевле получать необходимые эмпирические данные. Для реализации разработанного метода составлена,отлажена и используется программа расчета на ЭВМ ЕС изменений коэффициента давления и КПД осевого нагнетателя при различных сочетаниях местных отклонений геометрии любых элементов проточной части.

3. На базе указанного метода дополнительно разработана упрощенная методика для ускоренного определения изменений коэффициента давления и КПД осевого нагнетателя по заранее рассчитанным эталонным величинам изменений этих аэродинамических параметров, что позволяет с использованием более простого обмера поврежденных элементов и без применения быстродействующих ЭВМ с большой оперативной памятью оценивать изменения аэродинамических параметров нагнетателя при любых конкретных нарушениях геометрии элементов его проточной части.

4. На основе упрощенной методики путем использования вероятностных характеристик технологических отклонений размеров элементов проточной части нагнетателя разработан новый способ расчета допусков на указанные размеры, который позволяет для каждых конкретных условий производства устанавливать научно-обоснованные предельные отклонения этих размеров, исходя из заданных или приемлемых значений изменений аэродинамических параметров нагнетателя. Данный способ, в отличии от других, позволяет правильно учесть как функциональную связь геометрических параметров с аэродинамическим, так и вероятностные характеристики технологических отклонений размеров элементов проточной части нагнетателя.

Наряду с указанными основными результатами диссертации и выводами из них, можно отметить следующие дополнительные выводы:

- экспериментальные исследования показали, что при самом распространенном виде отклонения геометрии элементов нагнетателя - искажении формы поверхности, как правило, происходит снижение коэффициента давления и КПД нагнетателя и для реально наблюдаемых на практике искажений падение коэффициента давления может достигать 5-6%;

- экспериментально установлено, что при нарушении формы поверхности входного устройства доля изменения полного давления нагнетателя вследствие изменений условий работы остальных элементов нагнетателя составляет в среднем 75%;

- искажение входной кромки профиля рабочих лопаток в виде проектируемой утолщенной противоэрозионной накладки, как показывает расчет и модельный эксперимент, приводит к снижению коэффициента давления и КЦЦ нагнетателя на 5 -6%\

- экспериментально установлено, что потеря части пера (скол) рабочих лопаток на величину, реально наблюдаемую на практике, может привести к заметному (до Ь%) снижению коэффициента давления и КПД ступени нагнетателя;

- как показали расчеты по разработанной методике эксплуатационный износ лопаточного аппарата некоторых эксплуатируемых нагнетателей приводит к падению их давления на 2,5% после 200 часов работы;

- как показали расчеты, изготовление элементов проточной части по 14-18 квалитетам, что иногда допускается технологией, может привести к снижению коэффициента давления нагнетателя более чем на 6%, а КДД - на 3,5%.

Указанные результаты и материалы диссертации изложены в следующих публикациях: 3 статьи в Трудах ЛКИ (две в 1979 г. и одна в 1980 г., две статьи в Сб.НТО им.акад.А.Н.Крылова в 1981 г. вып. 357, одна статья в "Известиях ВУЗов. Машиностроение" 1981 г. №10, получено авторское свидетельство № 771708 от 20.06.1980 г. Кроме того, результаты работы докладывались на Всесоюзной межвузовской научно-технической конференции по газотурбинным и комбинированным установкам в МВТУ им.Н.Э.Баумана в 1979 г. на научно-технической конференции НКИ в 1980 г., дважды на секции НТО им.акад.А.Н.Крылова Судпрома в 1981 г., а также на нескольких научно-технических конференциях ЛКИ (в 1976, 1978, 1980, 1982 гг.).

С указанными результатами ознакомлен личный состав эксплуатирующих СВП подразделений для использования их при оценке работоспособности рабочих колес, на их основе в ЦНИИ им.акад.А.Н.Крылова подготовлена к выпуску методика расчета предельных отклонений размеров основных элементов проточной части нагнетателя, эти результаты частично используются в.проектных проработках ЦМКБ "Алмаз". Кроме того, полученные в настоящей диссертации результаты могут быть в дальнейшем использованы следующим образом:

- в организациях-проектантах - для установления предельных отклонений размеров элементов нагнетателей СВП и перспективных винто-вентиляторных движителей АВП;

- на заводах-изготовителях - для составления браковочных рекомендаций дорогостоящих деталей со значительными отклонениями геометрических параметров;

- в эксплуатирующих организациях - обслуживающими техническими подразделениями и непосредственно личным составом СВП для оценки работоспособности нагнетателей после различных сроков службы и прогнозирования предельного по износу состояния элементов их проточных частей.

Кроме того, разработанная в настоящей диссертации математическая модель течения газа в проточной части нагнетателя с искаженной геометрией и принцип построения методики определения допусков на размеры элементов проточной части могут быть использованы при дополнении соответствующими эмпирическими данными для анализа влияния технологических отклонений и эксплуатационных нарушений геометрии проточных частей других осевых турбомашин (насосов, турбин) на их энергетические характеристики.

- 170

1. Материалы ХХУ1 съезда КПСС. М.: Политиздат, 1981. 223 с.

2. Маклеви Р. Суда на подводных крыльях и воздушной подушке. Л.: Судостроение, 1981. 208 с.

3. Маталина И.Н. Сфера применения судов на воздушной подушке для грузовых перевозок,- Труды ЦНИИ экономики и эксплуатации водного транспорта, 1977. вып.131, с.68-72.

4. George Ш Future Hovercxaft,„ Hove zing Craft and Hydrofoil,1977. № 2, p.16-19.

5. Демешко Г.Ф. Устройство и оборудование судов на воздушной подушке. Учебное пособие. Л.: ЛКИ, 1980. 82 с.

6. Милованов Э.В., Дой Л.Г. Перспективы использования амфибийных судов на воздушной подушке за рубежом.- Судостроение, 1976,4, с.16-19.

7. Смирнов С.А. Суда на воздушной подушке скегового типа. Л.: Судостроение, 1983. 216 с,

8. Колызаев Б.А., Косоруков А.И., Литвиненко В.А. Справочник по проектированию судов с динамическим принципом поддержания. Л.: Судостроение, 1980. 472 с.

9. Bentley John. Hovercraft all set for leading transport wle>„HollandShipbuilding,, 1977, tè 9, p.62-63.

10. Иванов В.И., Ролинский В.Ю., Майборода А.Н., Гришанов B.C. Приближенная оценка ьлиянря технологических отклонений конструктивных величин на параметры судовых центробежных вентиляторов, Труды НКИ. 1972, вып.51, с.96-100.

11. Жирнов А.А., Павлович Л.А., Александров С.Л. Исследование влияния конструктивных и технологических факторов на кавита-ционные характеристики шнеко-центробекных насосных агрегатов. Химическое и нефтяное машиностроение. 1979, № 2, с. 9-12.

12. Короткий И.М. Аварии судов на воздушной подушке и подводных- 171 крыльях. JI.: Судостроение, 1981, 216 с.

13. Павлович Л.А., Быватов А.Н., Александров СЛ. Точность характеристик центробежных насосов при серийном изготовлении. -Вестник машиностроения, 1978, № 3, с. 17-19.

14. Тарандо Е.В., Шилов В.Д. Разработка методики оценки влияния эксплуатационных нарушений геометрии проточных частей нагнетателей на их аэродинамические характеристики. Технический отчет ЛКИ, инв.Е Б 902420, 1980.

15. The principles о9 hovevctaft powzing and propulsion. u Hoveling СъаИ and Hydtobil'^im, ti 9-10.

16. Ушаков К.И., Брусиловский И.В., Бушель А.Р. Аэродинамика осевых вентиляторов и элементы их конструкций. М.: Госгортехиз-дат, I960. 422 с.

17. Гаркуша A.B., Федоров М.Ф., СударкинаС.П., Мельтюхов В.А., Панкратова А,Г. 0 влиянии эрозионного износа металла рабочих лопаток на экономичность паровых турбин. Энергетическое машиностроение, 1977, вып. 23, с. 127-133.

18. Чижов Б.П. Влияние некоторых малых отклонений в геометрии профиля на сопротивление компрессорной решетки. Труды УАИ,-1957, вып. 4, с. 91-104.

19. РТМ 24.020.29.74. Расчет потерь энергии в решетке профилей с учетом сжимаемости и турбулентности. Л.: ЦКТИ, 1974.

20. Гольдберг Ф.И., Кудрявцева Т.И., Давыдов Е.К. Влияние изменения профилей, вызванного загрязнением, на характеристики изолированной ступени осевого компрессора. В сб.: Исследованияв области компрессорных машин, Киев: Будивельник, 1970, с. 159-165.

21. Эль-Тахер, Шаалан, Рашед. Влияние случайных ошибок в установке лопаток на потенциальное течение несжимаемой жидкости в компрессорной решетке. Теоретические основы инженерных расчетов, М.: Мир, 1976, )?2 4, с. 276-279.

22. Зубцов A.B. Влияние единичной шероховатости на течение жидкости в пограничном слое. Ученые записки ЦАШ, том I, 1971, й I, с. 9-16.

23. Боголепов В.В., Нейланд В.Я. Исследование локальных возмущений вязких сверхзвуковых течений. В сб.: Аэромеханика, М.: Наука, 1976, с. I04-II8.

24. Нейланд В.Я., Сычев В.В. К теории течений в стационарных срыв-ных зонах. Ученые записки ЦАГИ, том I, 1970, № I, с. 14-23.

25. Алексапольский Д.Я., Арсентьев В.М. Влияние точности изготовления рабочего колеса на характеристики ступени насоса. -Энергетическое машиностроение, 1966, вып. 2, с. 12-18.

26. Баммерт, Занстеде. Влияние неточностей изготовления и шероховатости лопаток на характеристики турбины. Энергетические машины и установки, М.: Мир, 1976, }," I, с. 33-44.

27. Мороз О.И., Марченко Ю.А., Терентьев И.К. Влияние точности изготовления профилей лопаток на экономичность турбинной ступени. Энергомашиностроение, 1978, )£ 10, с. 34-36.

28. РТМ 24.260.04-74. Турбины паровые и газовые, компрессоры осевые. Предельные отклонения размеров рабочей части лопаток. Л.: ЦКТИ, 1974, 14 с.

29. Алексапольский Д.Я., Арсеньев В.М., Маяюшенко В.В, 0 влиянии чичтоты обработки рабочего колеса на потери в насосе. Энергетическое машиностроение, 1966, вып. 2, с. 59-64.

30. Баммерт, Воелк. Влияние шероховатости поверхности лопаток нааэродинамические и рабочие характеристики осевого компрессора. Энергетические машины и установки, М.: Мир, I960, 2, с. 59-65.

31. Шпензер Г.Г. Влияние шероховатости поверхности на характеристики турбинных ступеней. Известия высших учебных заведений.

32. Энергетика, 1967, ß 2, с. 125-129.

33. Баммерт, Занстеде. Исследование влияния шероховатости поверхности и изменения профилей лопаток на характеристики газовой турбины. Энергетические машины и установки, М.: Мир, 1972, Ш 3, с. 39-44.

34. Дульский Б.Г., Кукинов А.Г. Течение в лопаточной машине при неравномерном распределении скорости во входном канале. Ученые записки ДАШ, том 5, № 3, с. 18-27.

35. Анютин А.Н., Брехов А.Ф., Ершов В.П., Прокопович В.Г. О работе осевого компрессора при радиально-неравномерном входе потока. Известия высших учебных заведений. Авиационная техника, В I, 1978, с. 105-107.

36. ЧеркезА.Я. Инженерные расчеты газотурбинных двигателей методом малых отклонений. М.: Машиностроение, 1975, 380 с.

37. Тихонов A.C., Ахметзянов A.M. Влияние погрешностей изготовления газовоздушного тракта на разброс эксплуатационных характеристик ТРД. Известия высших учебных заведений. Авиационная техника, 1967, 4, с. I24-I2S.

38. Тихонов A.C., Ахметзянов A.M., Алаторцев В.11. К оценке допусков на проходные площади сопловых аппаратов турбины. Труды УАИ, 1967, вып. 9, с. 14-18.

39. Зиязитдинов М.Г., Ахметзянов A.M., Чижов Б.Н. Исследование взаимосвязи геометрических размеров деталей соплового аппарата с величиной проходной площади. Труды УАИ, 1968, вып. 10, с. 41-47.

40. Чижов Б.Н. Оценка влияния погрешностей изготовления деталей компрессорной решетки на её КПД. Труды УАИ, 1970, вып. 7 , с. 58-62.

41. Павлович Л.А., Жарский Б.Б., Быватов А.Н., Александров С.Л. Расчет допусков на геометрические размеры центробежного насоса из условия заданной точности характеристик. Энергомашиностроение, 1976, № 7, с. 39-41.

42. Ахмедзянов A.M. Оценка коэффициентов влияния статистическим методом. Труды УАИ, 1968, вып. 10, с. 35-40.

43. Алексеев А.Б. Исследование воздействия атмосферных факторов на эксплуатационные характеристики ГТУ. Б сб.: Вопросы внедрения и эксплуатации газотурбинных установок в промышленной энергетике, Калинин, 1974, с. 6-38.

44. Картышов А.Б., Уляшинский Б.А. Повышение долговечности водометных двигательных комплексов. М.: Транспорт, 1972, 69 с.

45. Чижов Б.Н., Ахмедзянов A.M. Об отклонениях характеристик двигателя в процессе эксплуатации. Известия высших учебных заведений. Авиационная техника, 1969, № I, с. 120-123.

46. Алексеев А.Б. Методы решения уравнений движения частиц и прогнозирование эрозий и загрязнение лопаток турбомашины. Б сб.: Вопросы внедрения и эксплуатации ГТУ в промышленной энергетике, Калинин, 1974, с. 83-89.

47. Макаров Б.Н. Расчет эрозионного износа элементов энергетического оборудования. Энергомашиностроение, 1976, № 5, с.13-14.

48. Фадеев И.П., Биржанов М.Б. Математическая модель процесса эрозии. Известия АН СССР. Энергетика и транспорт, 1977, М, с. 151-156.

49. Рис В.Ф. Об учете абразивного пылевого износа колес при проектировании ЦКМ. Энергомашиностроение, 1976, И, с. 19-21.

50. Смелтзер, Гулден, Комптон. Механизм износа металлов при ударном воздействии частиц пыли. Теоретические основы инженерных расчетов, Ы.: Мир, 1970, Ш, с. 225-238.

51. Багерман А.З., Шилов В.Д., Тимофеев В.В. Определение изменений характеристик ступеней осевых компрессоров при изменении углов установки рабочих и направляющее лопаток. Энергомашиностроение, 1976, 1£7, с. 35-37.

52. РТМ 24.020.17-73. Методика аэродинамического расчета проточной части осевого компрессора для стационарных установок. М.: МТЭ и ТМ, 1973, 206 с.

53. Точность производства в машиностроении и приборостроении/Иод ред. проф. А.И. Гаврилова. М.: Машиностроение, 1973, 567 с.

54. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. Ы.: Высшая школа, 1977, 479 с.

55. Довжик С.А. Влияние радиальной неравномерности потока на эффективность кольцевых диффузоров. В сб.: Промышленная аэродинамика, М.: Машиностроение, 1975, В32, с. 5-28.

56. Комаров А.П. Исследование плоских компрессорных решеток. В сб.: Лопаточные машины и струйные аппараты, М.; Машиностроение, 1967, вып. 2, с. 67-100.

57. Тарандо Е.В., Шилов В,Д. Исследование влияния технологических отклонений геометрических параметров элементов проточных частей нагнетателей на их аэродинамические и энергетические характеристики. Технический отчет ЛКИ, инв.^ Б 644753, 1977.

58. Дорфман А.Ш., Назарчук М.М., Подольский II.И., Сойковский М.И. Аэродинамика диффузоров и выхлопных патрубков турбомашин.

59. Киев: АН УССР, I960, 188 с.

60. Маталин A.A. Точность механической обработки и проектирования технологических процессов. М.: Машиностроение, 1970, 319 с.

61. Шевелев A.C., Федорченко Г.Н. Определение погрешности расположения поверхностей при обработке деталей. Известия высших учебных заведений. Авиационная техника, 1961, ЖЗ, с. 134-143.

62. ГОСТ 10921-74. Вентиляторы радиальные (центробежные) и осевые. Методы аэродинамических испытаний. 15 с.

63. ГОСТ 10616-73. Вентиляторы радиальные (центробежные) и осевые. Основные размеры и характеристики. 9 с.

64. Тарандо Е.В., Чернов А.И. Испытание вентилятора. Методические указания к лабораторной работе. JI.: ЛКИ, 1983, 36 с.

65. Львовский E.H. Статистические методы построения эмпирических формул. Учебное пособие. М.: Высшая школа, 1982, 224 с.

66. Айвозян С.А. Статистическое исследование зависимостей. М.: Металлургия, 1968, 228 с.

67. Повх И.Л. Аэродинамический эксперимент в машиностроении. Л.: Машиностроение, 1974, 504 с.

68. Мягков В.Д. Краткий справочник конструктора. Л.: Машиностроение, 1975, 816 с.

69. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПйуЖЕНЛЛ ДАВЛЕНИЯ И КПД МОДЕЛЬНОГО НАГНЕТАТЕЛЯ ПРИ ИЗВЕСТНЫХ МЕСТНЫХ ОТКЛОНЕНИЯХ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ПО УПРОЩЕННОЙ МЕТОДИКЕ ( Пример расчета )

70. Для проведения указанных расчетов на основе чертежей элементов нагнетателя получены следующие данные по исходном геометрии проточной части:

71. Высота кольцевого канала проточной части (высота И 80 мм сечений на выходе из ВУ п входе в диффузор и лопаток всех венцов)

72. Длина канала ВУ ХЬУ 150 мм

73. Длина канала диффузора 350 мм

74. Хорда лопаток РК 6 = 75 мм

75. Угол установил лопаток РК А = 48°08'

76. Количество лопаток РК 2рк == 35

77. Угол установки лопаток ВНА оСб = 88°23'

78. Количество лопаток ВНА 2 НА = 33о Степень реактивности ступени в = 0,7

79. Ю. Радиальный зазор лопаток РК Бг = 1,1%1.» Наружный диаметр РК Ян = 703 мм

80. Внутренний диаметр Hi 3)&r = 543 шл

81. Базовые значения изменений коэффициента давления ДЧ^ооб, и 1ВД Л модельногонагнетателя для эталонных отклонений формы поверхности обтекателя втулки ВУ, значения среднего радиуса и вероятности р>к появления отклонений с параметрами Лоб и

82. Боб в З^з-занных диапазонах их изменешш