Выбор, оптимизация и контроль основных параметров турбокомпрессора при проектировании, доводке и эксплуатации ГТД тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Симонов Николай Борисович

• Симонов Николай Борисович
• кандидат наук
• 2026

Оглавление диссертации кандидат наук Симонов Николай Борисович

Введение

Глава 1 Анализ работ и методик по выбору и оптимизации основных параметров турбокомпрессора при проектировании и доводке, их контроля в эксплуатации

ГТД

1.1 Анализ работ и методик по выбору и оптимизации основных параметров турбокомпрессора при проектировании ГТД

1.2 Анализ работ и методик оптимизации основных параметров турбокомпрессора по результатам испытаний (поузловых и в составе ГТД) и 3П СЛП/СЛЕ-моделирования

1.3 Анализ работ и методик контроля турбокомпрессоров при эксплуатации ГТД

1.4 Выводы по главе

Глава 2 Разработка и уточнение методик выбора и оптимизации основных параметров турбокомпрессора при проектировании ГТД

2.1 Реинжиниринг (по методологии SADT) процесса проектирования турбокомпрессора в составе ГТД

2.2 Использование коэффициента восстановления полного давления в проточной части как показателя для выбора и оптимизации параметров компрессора, турбины, ступеней и лопаточных венцов

2.3 Метод получения обобщенных зависимостей для выбора основных параметров турбокомпрессоров

2.4 Метод использования обобщенных зависимостей при выборе основных параметров турбокомпрессоров

2.5 Выбор степеней реактивности, густот и углов атаки в среднем сечении ЛВ первых, последних и промежуточных ступенях

2.6 Выбор ширины лопаточных венцов с учетом аэродинамического нагружения, материала и конструкции РК и НА

2.7 Выбор изменения удельной работы по высоте ПЧ компрессора Нт (Г) с учетом густоты и фактора диффузорности

2.8 Выводы по главе

Глава 3 Разработка новых методов оптимизации параметров турбокомпрессора при доводке по результатам испытаний (узловых и в составе ГТД) и 3Б САБ/САЕ-

моделирования

3.1 Реинжиниринг процесса доводки турбокомпрессора по результатам испытаний (узловых и в составе ГТД) и 3Б САБ/СЛЕ-

моделирования

3.2. Метод оптимизации параметров компрессоров и турбин при доводке по результатам

испытаний (узловых и в составе ГТД) и 3Б САБ/САЕ-моделирования

3.3Вывод по главе

Глава 4 Разработка новых методик контроля состояния турбокомпрессора при эксплуатации ГТД

4.1 Реинжиниринг процесса контроля состояния турбокомпрессора при эксплуатации ГТД

4.2 Контроль состояния компрессора по результатам замера статического давления перед ВНА или РК первой ступени

4.3 Контроль выработки ресурса турбин с учетом циклограмм нагружения ГТД в эксплуатации

4.4 Вывод по главе

Глава 5 Апробация разработанных методик выбора начальных приближений и оптимизации основных параметров турбокомпрессоров при проектировании и доводке

и их контроля при эксплуатации ГТД

5.1. Апробация разработанных методик выбора начальных приближений и оптимизации основных параметров при проектировании и перепроектировании компрессоров и турбин ТРДДФсм

5.2. Апробация разработанных методик выбора начальных приближений и оптимизации основных параметров при проектировании компрессора и турбины для ВСУ

5.3 Апробация разработанных методик контроля основных параметров и оценки состояния турбокомпрессоров при эксплуатации и ГТП в составе ГПА

5.4 Выводы по главе

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложения

Приложение А Акты внедрения

Приложения Б Описание методик контроля состояния

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Выбор, оптимизация и контроль основных параметров турбокомпрессора при проектировании, доводке и эксплуатации ГТД»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Процесс проектирования газотурбинного двигателя (ГТД) и турбокомпрессоров (ТК) в его составе является итерационным. При этом на ранних этапах проектирования принимаются предварительные решения и производится предварительная оптимизация, затем с использованием трехмерных методов расчета производится дальнейшее совершенствование элементов проточной части (ПЧ). Степень обоснованности и результаты предварительной оптимизации на ранних этапах существенно влияют на затраты и качество итогового варианта ТК и разрабатываемого ГТД в целом. Разработка методов обоснованного выбора и оптимизации параметров ТК позволяет ускорить доводку по результатам автономных испытаний или испытаний в составе ГТД и снизить затраты на вышеупомянутые процессы. Контроль параметров ТК в процессе эксплуатации позволяет оценивать состояние ГТД. Поэтому совершенствование методик выбора и оптимизации параметров ТК при проектировании и доводке ГТД, их контроля в эксплуатации продолжает быть актуальным.

Степень разработанности темы. Проведенный анализ литературы показал, что существует большое количество исследований, посвященных выбору, оптимизации и контролю основных параметров ТК при проектировании, доводке и эксплуатации ГТД. В области выбора и оптимизации основных параметров турбин и компрессоров при проектировании ГТД выделяются работы отечественных исследователей Иноземцева А.А., Милешина В.И., Венедиктова В.Д., Талызиной В.С., Быкова Г.А., Мамаева Б.И., Клебанова Г.А., Матвеева В.Н., Батурина О.В., Белоусова А. Н., Шевченко И.В., Колосова Л.С., Егорова И.Н., и зарубежных авторов А. Эмери, Дж. Гастеллоу, Р. Льюиса, С. Дикенса, Ч. Хирша, Н. Кампсти. Существует ряд классических работ в этой области: отечественных (Комарова А.П., Ольштейна Л.Е., Ржавина Ю.А., Федорова Р.М., Жирицкого Г.С., Копелева С.З., Дейча М.Е., Бунимовича А.И., Святогорова

A.А., Аронова Б.М., Тунакова А.П.) и зарубежных авторов (А. Хауэлла, М. Бойса, Б. Эккерта). В области оптимизации основных параметров ТК при доводке по результатам испытаний (по-узловых и в составе ГТД) выделяются работы Марчукова Е.Ю., Куприка В.В., Григорьева В.А., Ермакова А.И., Батурина О.В.. Классические работы в этой области: Черкеза А.Я., Биргера И.А., Боровика О.В., Цховребова М.М., Кулагина В.В., Гишварова А.С., Новикова А.С., Шишкина В.Н., Савельева Г.М., Лямцева Б.Ф., Аболтина Б.Ф.. В области контроля состояния ТК при эксплуатации ГТД выделяются работы Маношина О.В., Ахмедзянова А.М., Дубравского Н.Г., Тунакова А.П., Сиротина Н.Н., Коровкина Ю.М., Кебы И.В., Куприка В.В., Ванчина А.Г., Чич-кова Б.А., Ямпольского Я.М., Белоконя И.М., Ярославцева Н.Л., Попова В.Г., Лозицкого Л.П., Янко А.К., Елисеева В.В., Крымова К.А., Иноземцева А.А., Августиновича В.Г., Пивоварова

B.А., Бунякина А.В., Торбеева С.А.. Большой вклад в разработку соответствующих методик внесли коллективы отраслевых НИИ (ЦИАМ), ОКБ (АО «ОДК-Авиадвигатель», НТЦ ОАО

А.Люлька, ПАО «ОДК-Сатурн», ПАО «ОДК-Кузнецов»), фирм (Rolls-Royce) и университетов (МАИ, Самарский университет, УГАТУ, РГАТУ, ПНИПУ, ВУНЦ ВВС «ВВА») и др.

Анализ литературы показал, что несмотря на большое количество работ, посвященных выбору основных параметров ТК при проектировании, оптимизации при доводке и контролю их при эксплуатации ГТД остается актуальной задача разработки новых и уточнения известных, применяемых при этом моделей и методик.

Целью исследования, направленного на сокращение затрат и повышение эффективности проектирования, доводки и эксплуатации ГТД, является повышение точности определения начальных приближений основных параметров ТК для дальнейшей оптимизации с использованием 3D CAD/CAE-моделирования и экспериментальной доводки.

Для достижения данной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработка новых и уточнение известных методов выбора начальных приближений и оптимизации основных параметров ТК при проектировании ГТД;

2. Разработка новых методов оптимизации параметров ТК при доводке по результатам испытаний ГТД;

3. Разработка новых методик контроля состояния ТК при эксплуатации ГТД;

4. Апробация разработанных методов выбора начальных приближений и оптимизации основных параметров ТК при проектировании и доводке, их контроля в эксплуатации ГТД.

Объект исследования: рабочие процессы, параметры и характеристики компрессоров и турбин, дозвуковых, транс- и сверхзвуковых решеток профилей, лопаточных венцов (ЛВ), ступеней, компрессоров и турбин.

Предмет исследования: методы проектирования турбин и компрессоров, доводки по результатам испытаний и контроля их состояния при эксплуатации ГТД.

Научная новизна: для выбора и оптимизации основных параметров ТК при проектировании и доводке, их контроля в эксплуатации ГТД разработаны новые и уточнены ранее известные методики:

1. На начальном этапе (при «завязке» ТК) предложено использовать, в отличие от известных методов, диаграммы Смита для элементарных ступеней, на них выделять линии для оптимального размещения среднемассовых точек «ср» для полных ступеней. Как признак для выбора числа и распределения параметров по ступеням предложено использовать коэффициент восстановления полного давления в ПЧ и ее элементах. При этом на диаграммах Смита для каждой полной ступени (для РК) определяются линии для всех точек по высоте ПЧ и геометрические параметры ЛВ и ПЧ в 3D-постановке. Густоты решеток профилей ЛВ предложено выбирать по Хауэллу в первой и последней ступенях для номинальных режимов, а в промежуточных ступенях - для обеспечения оптимальных

режимов. Для расчета густот в РК и НА промежуточных ступеней компрессора преобразована формула и диаграмма Дышлевского, для ВНА компрессора предложено их использовать в исходном виде (так же, как в турбине). Для сверхзвуковых ступеней получена новая формула поправок на увеличение густоты решеток профилей с учетом скорости натекания.

2. Предложен новый метод для оптимального изменения работы по высоте ПЧ с учетом парусности и изменения густот по высоте РЛ, так чтобы в первой и последней ступенях во всех сечениях по высоте ПЧ обеспечивался номинальный, а в промежуточных ступенях оптимальный режим. Предложены новые формулы для расчета ширины ЛВ, параметра ои/ор для расчета турбины и поправки к универсальной зависимости Ольштейна Л.Е. для углов поворота в решетках профилей.

3. В отличие от известных методик при доводке ТК предложено по результатам испытаний строить кривую изменения идеального полного давления вдоль ПЧ, кривую изменения суммарного коэффициента восстановления полного давления, по ним выявлять, какие элементы ПЧ следует изменить для повышения КПД (компрессора, турбины). При этом по диаграмме Смита определяется как следует сместить точки «ср», для каких именно ступеней, как изменятся кинематические и геометрические параметры ПЧ и ЛВ.

4. Предложены новые методики контроля состояния ТК при эксплуатации ГТД (по результатам испытаний на земле и эксплуатации ГТУ на КС; выработки ресурса турбин с учетом циклограмм фактического нагружения ГТД; дополнительного замера статического давления перед ГТД; использования комплексных показателей).

Теоретическая значимость работы.

Разработанные методики выбора повышают степень обоснованности выбора основных параметров на стадии формировании облика ГТД (связывают кинематические и термогазодинамические параметры облика ГТД, позволяют определить потребное количество ступеней, распределение основных кинематических параметров по ступеням ТК).

На основании анализа известных методик выявлены возможности их уточнения, в дополнение к ним предложен ряд новых методик.

Практическая значимость работы.

1. Разработанные новые и скорректированные известные алгоритмы принятия решений при проектировании ТК обеспечивают сокращение энерго- и трудоемкости, временных и финансовых затрат при проектировании, доводке, проектировании и эксплуатации ГТД за счет более точного выбора и определения начальных приближений основных параметров ТК, необходимого их изменения при доводке, определении их технического состояния в эксплуатации.

2. Разработанная методика обеспечивает оперативное определение необходимых изменений в геометрии ПЧ и ЛВ при доводке турбокомпрессоров по результатам узловых или испытаний в составе ГТД

3. Разработаные методики позволяют повысить качество планирования и управления тех. обслуживанием и ремонтом ГТД по результатам контроля технического состояния ТК в эксплуатации

4. Полученные результаты используются при проектировании, доводке и эксплуатации ВСУ во ФГУП УАП «Гидравлика», при эксплуатации ГПА АЛ-31СТ «Уфа» в ИТЦ «Газпром-трансгаз-Уфа»

5. На основании разработанных методов разработано учебное пособие, используемое при курсовом и дипломном проектировании ГТД, лопаточных машин в их составе в УУНиТ.

Методология и методы исследования базируются на феноменологических подходах при анализе экспериментальных данных, при формировании новых зависимостей применяется асимптотический анализ и анализ на экстремумы, также применяются основные положения теории работы газотурбинных двигателей, лопаточных машин, механики жидкостей и газов. Проверка основных гипотез проводится с применением метода конечных элементов и методов оптимизации, описанных в исследовании.

На защиту выносятся:

1. Методики выбора и оптимизации (на этапе согласования турбины и компрессора) формы ПЧ, числа ступеней, распределения скоростей, работ, диаметральных размеров ТК и частот вращения роторов с учетом требуемого ресурса турбины;

2. Методики выбора и оптимизации густот решеток профилей, углов атаки (различные для первых, последних и промежуточных ступеней), обеспечивающие достижение максимума КПД компрессора при достаточном запасе ГДУ;

3. Методика выбора ширины ЛВ с учетом материала лопаток, технологии изготовления РК (замковая, блиск, блинг), способов крепления НА и степени аэродинамической нагружен-ности ЛВ;

4. Методика определения оптимального изменения работы по высоте ПЧ при профилировании лопаток ротора и статора;

5. Методика оптимизации параметров турбины и компрессора при доводке по результатам поузловых испытаний и испытаний в составе ГТД;

6. Методики контроля состояния ТК при эксплуатации ГТД.

Достоверность результатов исследования подтверждается тем, что:

- при разработке и проверке методов расчета использованы экспериментальные данные, полученные при продувках решеток профилей, испытаниях ступеней модельных и пол-

норазмерных турбин и компрессоров;

- результаты базируются на основных положениях механики жидкости и газа, теории лопаточных машин, аэромеханики решеток профилей;

- достоверность разработанной методики расчета параметров и характеристик турбин и многоступенчатых компрессоров, подтверждена путем сравнения расчета с данными, полученными при их испытаниях;

- достоверность разработанных методик контроля состояния турбокомпрессора при эксплуатации ГТД и ГТУ подтверждена результатами ее использования при трендовом контроле ГПА.

Внедрение. Результаты работы внедрены в ФГУП УАП "Гидравлика", ОАО "Газпром трансгаз Уфа" и в учебный процесс ФГБОУ ВО УУНиТ.

Апробация работы. Результаты выполнения работы докладывались на НТК "Зимняя школа аспирантов" (УГАТУ-Уфа, 2014,2016); Международной НТК "Авиадвигатели XXI века" (Москва, ЦИАМ, 2015), конференции "Изобретательство и рационализаторство молодых работников в вопросах транспортировки природного газа" Газпром трансгаз Уфа 2014 г., конференции "Авиадвигатели XXI века", Москва, ЦИАМ им. П.И. Баранова, 24 -27 ноября 2015 г, Международной конференции "Проблемы управления и моделирования в сложных системах" 3-6 сент. 2019, Самара; были доложены основные положения на конференциях АКТТИ-2023 -XXIV Всероссийская научно-техническая конференция "Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации -2023" и АКТТИ-2024 - XXV Всероссийская научно-техническая конференция "Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации -2024 ". По совокупности выполненных работ в 2019 г. получена государственная премия АН РБ имени С.А.Гаврилова в области технических наук. В процессе выполнения работы выполнен ряд проектов по заказам промышленных предприятий (УЗГА, филиал в Санкт-Петербурге, ФГУП УАП «Гидравлика», ОАО "Газпром трансгаз Уфа").

Публикации. По результатам выполненных исследований и разработок опубликовано 36 работ, в том числе 11 публикаций в изданиях международных баз Scopus и Web of Science, 16 публикаций в центральных рецензируемых журналах, включенных в перечень ВАК РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, содержит 200 страниц машинописного текста, в том числе 11 таблиц, 118 рисунков, список использованных источников из 110 наименований, а также содержит принятые обозначения и сокращения на 5 листах, приложения на 21 листе.

Глава 1 Анализ работ и методик по выбору, оптимизации и контролю основных параметров компрессоров и турбин при проектировании, доводке и эксплуатации ГТД

В настоящее время ряд основных параметров турбокомпрессора на ранних этапах выбирается на основе рекомендаций или с использованием параметров двигателей-прототипов, турбин и компрессоров в их составе. При этом диапазон рекомендуемых значений таков, что начальный выбор значений основных параметров приводит к необходимости большого количества итераций на последующих этапах проектирования и доводки. Используемые методы доводки турбин и компрессоров по результатам испытаний не позволяют однозначно принимать решения об изменении режимно-конструкторских параметров, поэтому доводка носит итерационный характер. В результате анализа показано, что ряд проектных процедур, используемых в настоящее время при выборе начальных приближений параметров компрессора и турбины, их контроле в эксплуатации ГТД могут быть усовершенствованы и уточнены за счет новых подходов, выдвинутых и проверенных автором гипотез, введения учета дополнительных факторов. Необходима также разработка новых и доработка существующих методик для решения перечисленных задач.

1.1 Анализ работ и методик по выбору и оптимизации параметров турбокомпрессора при проектировании ГТД.

В работах Иноземцева А.А.[1-3], Ржавина Ю.А.[4] показано, что процесс проектирования турбокомпрессоров при создании ГТД - итерационный, при этом решаются задачи структурно-параметрического синтеза и оптимизации. В работах Матвеева В.Н., Батурина О.В.[5] показано, что при проектировании ГТД и узлов в его составе проектные решения принимаются с использованием последовательно детализируемых моделей. При этом на каждом этапе продуктивными являются модели соответствующей степени детализации, аспекта моделирования и размерности (рисунок 1.1). Показана также общая структура процесса проектирования турбокомпрессоров в составе ГТД (рисунок 1.2).

Рисунок 1.1 - Последовательность использования моделей различной размерности и различной степени детализации [5]

Рисунок 1.2 - Общая структура процесса проектирования турбокомпрессоров

в составе ГТД [5]

В работах Тунакова А.П. [6], Аронова Б.М. [7] показано, что проектные решения, принимаемые на ранних этапах проектирования с использованием термогазодинамических моде-

леи с поузловои детализацией (выбор значении расхода воздуха &в , степеней двухконтурности

* *

т , повышения давления в компрессоре П* и понижения давления в турбине Ят , оценка КПД

* к

компрессоров П* и турбин П*), а на следующем этапе с использованием термогазодинамических и кинематических моделей турбин и компрессоров с поступенчатой и повенцовой детали-

зацией (выбор значений числа ступеней г, частот вращения роторов п, диаметральных размеров Д и формы обводов ПЧ - проточной части, распределения осевых скоростей Са., работ

Нп и X , степеней реактивности р., ширины ЛВ - лопаточных венцов А£., густот решеток

профилей (ЬД) , углов атаки / и т.д.) существенным образом определяют качество итогового

результата, затраты времени, труда и машинных ресурсов на проектирование и доводку ГТД, турбокомпрессоров в его составе. При этом важно, чтобы начальные приближения были достаточно близки к итоговым, соответствующим экстремальным значениям функции цели, с учетом ограничений.

Сами процедуры оптимизации на всех этапах - формальные и неформальные (интерактивные) выполняются с использованием математических методов. Самым известным в РФ в настоящее время является разработанный И.Н. Егоровым Платформа оптимизации ¡080 [8]. Тем не менее на ранних этапах проектирование эффективно использование неформальных методов оптимизации основных параметров турбокомпрессоров. Поэтому в работах Жирицкого Г.С. [9], Копелева С.З. [10,11], Мамаева Б.И. и Клебанова Г.А. [12 - 15] рассмотрены вопросы выбора и оптимизации значений основных параметров турбин, ступеней и ЛВ в их составе.

В работах Б.Эккерта [16], Федорова Р.М. [17], Милешина В.И. [18] рассмотрены вопросы выбора и оптимизации значений основных параметров компрессоров, ступеней и ЛВ в их составе.

Рисунок 1.3 - Схема процесса проектирования турбины в составе ГТД [1-3]

Рисунок 1.4 - Схема этапов Ш-проектирования турбин, выполняемого на начальном этапе проектирования турбокомпрессора [1-3]

В работах Холщевникова К.В. [19], Ржавина Ю.А. [20], Белоусова А.Н. [21,22], Матвеева В.Н. [23], Иноземцева А.А. [1-3], Шевченко И.В. [11] рассмотрены вопросы выбора и оптимизации значений основных параметров компрессоров и турбин. При этом в работах Иноземцева А.А. [1-3] приведена схема процесса проектирования турбины в составе ГТД (рисунок 1.3), показана схема процедур Ш-проектирования турбин (рисунок 1.4), которые выполняются на начальном этапе проектирования турбокомпрессора.

В работах Иноземцева А.А. [1-3] также показана последовательность этапов аэродинамического проектирования турбин (рисунок 1.5.).

Рисунок 1.5 - Последовательность этапов аэродинамического проектирования турбин [3]

Кроме того в работах Иноземцева А.А. [1-3] показана последовательность этапов аэродинамического проектирования компрессоров (рисунок 1.6).

Основные принципы технологии сетевого имитационного моделирования ГТД и узлов в их составе разработаны Кривошеевым И.А. [24,25] (рисунок 1.7). На этой основе в НИЛ САПР-Д УГАТУ Ижикеевым В.И. и Кожиновым Д.Г. разработана технология САМСТО [24,25,28].

С помощью технологии САМСТО в НИЛ САПР-Д УГАТУ Матковской Н.А. [26] и Го-рюновым И.М. [28] разработаны системы имитационного термогазодинамического моделирования ГТД с поузловой детализацией, а Диковой Ф.А. [29], Кишаловым А.Е. [30], Михайловой А.Е. [31], Рожковым К.Е. [32] - системы имитационного термогазодинамического моделирования компрессоров и турбин (с поступенчатой и с повенцовой детализацией). Алгоритмы, описывающие СЭ - структурные элементы в таких системах (рисунок 1.8), составлены на основе опубликованных методик указанных выше авторов. Это позволило формализовать и автоматизировать выполнение проектных процедур, выполняемых на ранних этапах проектирования ГТД, турбин и компрессоров в их составе.

Однако принятие решений по выбору основных параметров турбокомпрессоров в этих системах не формализовано. Предлагаются лишь «подсказки» (help) для пользователей на основе опубликованных рекомендаций. На следующих этапах предлагается использование 3 D CAD/CAE-моделирования в универсальных ПК (NX, Ansys,...) и в специализированных ПК (Numeca, Concept/Nrec и т.д.).

I этап

Выбор типа компрессора

+

Определение конфигурации компрессора

1 +

10 Расчет характеристик оптимизации

предварительное определение числа ступеней.распределения нагрузки, выбор степени торможения скорости, очертания проточной части, удлинения, густоты и т. д.

Предварительный вариант компрессора

Расчет течения & проектной тонне <2Р)

А 4

Предварительное профилирование, йы&оруглое атаки и отставания.

густоты

I I

Предварительные расчеты на прочность

_I_

20 Расчет характеристик

— Оптимизация компрессора

1

Прочностные расчеты

Угловой отрыв, радиальный зазор

Обратная задача.

Расчет течения в осевых зазорах

и внутри лопаточных венцов

Определение раскрутки пера лопатки

Расчет характеристик, уточнение значений углов атаки, отставания и густоты

Поиск оптимальных геометрических параметров и законов регулирования

Исходный вариант компрессора

Расчет течения Расчет течения на

внутри лопаточных поверхности 31

венцрв (Зй) Навье- 5Р) с учетом

Стою вязкости

1 ■ 1

Коррекция формы Коррекция формы

лопатки профиля

Прямая и обратная задачи, сильное вязко-невязкое взаимодействие (отрыв потока)

Профили с сткорреетирован ной

диффуэорноотью

Учет нестационарного вмимодействня венцов

Окончательный вариант компрессора

Рисунок 1.6 - Последовательность этапов аэродинамического проектирования

компрессоров [1-3]

Рисунок 1.7 - Схема использования технологии сетевого имитационного моделирования САМСТО при проектировании ГТД, узлов и других элементов в его составе с последовательной детализацией [24,25] (показана до поступенчатой детализации компрессора)

Рисунок 1.8 - Схема использования технологии сетевого имитационного моделирования САМСТО при термогазодинамическом моделировании ГТД (с поузловой детализацией), компрессоров и турбин в его составе (с поступенчатой детализацией)

Это предполагает, что проектные решения по выбору числа ступеней, частоты вращения роторов, диаметральных размеров, формы ПЧ и т.д. должны приниматься на основе ряда итераций с использованием таких моделей. Рекомендации по принятию таких решений недостаточно конкретны, диапазоны для выбора значений основных параметров достаточно широки.

В данной работе автором показано, что эти методики могут быть усовершенствованы и уточнены, в них может быть добавлен учет ряда дополнительных параметров. В Главе 2 (п.п.2.1.. .2.7) автором показано, что предложенные новые методики и алгоритмы позволяют уже на ранних этапах проектирования принимать обоснованные решения по выбору начальных приближений для основных параметров турбокомпрессоров и эти значения оказываются достаточно близки к итоговым, которые в условиях КБ получаются в результате большого объема вычислений и доводочных работ. В результате процесс проектирования турбокомпрессора на раннем этапе становится однонаправленным, с минимальным числом итераций.

1.2 Анализ работ и методик доводки турбокомпрессоров по результатам испытаний (поузловых и в составе ГТД) и 3D CAD/CAE-моделирования

Анализ показал, что доводка турбокомпрессоров по результатам испытаний (поузловых и в составе ГТД) сводится к идентификации и валидизации (уточнения) моделей турбин и компрессоров, использованных при проектировании. С использованием уточненных таким образом моделей (т.е. моделей с повышенной степенью адекватности) определяются необходимые изменения геометрии ПЧ и ЛВ, режимов работы турбокомпрессоров. При этом целью являются повышение КПД, увеличение запасов ГДУ, обеспечение требуемых значений лобовой производительности, степени повышения давления в компрессоре. Учитываются дополнительные ограничения. Например, если требуется сохранить обводы ПЧ и число ступеней, то изменения сводятся к изменению распределения работ по ступеням и соответственно изменения ширины ЛВ, густот решеток профилей, геометрии профилей и углов установки. Для определения необходимых изменений эффективным является предложенный Черкезом А.Я. метод малых отклонений [34,35]. Однако для его применения требуется определение коэффициентов влияния на параметры турбокомпрессора указанных параметров ЛВ и решеток профилей. Методы доводки ГТД и турбокомпрессоров по параметрам рассмотрены в работах Биргера И.А., Боровика О.В, Цхов-ребова М.М. [36], Марчукова Е.Ю., Куприка В.В. [37,38], Кулагина В.В. [39], Григорьева В.А. и Гишварова А.С. [40], Новикова А.С. и Шишкина В.Н. [41-43], Савельева Г.М. , Лямцева Б.Ф. , Аболтина Б.Ф.[44].

За рубежом, в фирмах Rolls-Royce и General Electric накоплен большой опыт проектирования и доводки турбокомпрессоров. В работах Дж. Кларка и Д.Фила [45]. описывается процесс проектирования, расчета, верификации и доводки турбин высокого и низкого давления. На рисунке 1.9 показана схема, по которой проводят проектирование и доводку турбины. На первом этапе используются обычные методики (1D). Затем проводят двумерные расчеты и эксперименты в системе MATLAB (2D расчет) и на натурных стендах выполняются продувки решеток профилей. Далее с использованием современных методов 3D-4D моделирования проводят трудоемкие CFD-расчеты, которые должны подтверждаться на двигателе-прототипе, установленном на специальном стенде. Стенд оборудован с учетом последних достижений в области проведения испытаний (рисунок 1.9).

Рисунок 1.9 - Технология проектирования и доводки турбин [46]

В [2] указано, что экспериментальное исследование турбины на стенде (рисунок 1.10) проводится с целью:

1) Определения реальной аэродинамической эффективности (КПД) и пропускной способности турбины (АТ).

2) Определения характеристик турбины в важном для применения диапазоне приведенной окружной скорости и степени расширения.

3) Определения реальной аэродинамической нагрузки отдельных ступеней и венцов, их аэродинамических характеристик (рис.1.11) и резервов повышения КПД.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Симонов Николай Борисович, 2026 год

\ /

Номер ступени

11

13

15

Рисунок 2.24 - Уточненное распределение степени реактивности в ступенях вдоль сред-

немассовой поверхности тока: — типовое и — рекомендуемое в данной работе В [66-96] автором показано, что используемое в настоящее время понятие «степень реактивности», выражения вида

1

3

5

7

9

(С2и + С1и ^ С1а

(2ц) 2 ,

р=1-НТ12 - с^а = 1+НТ12 - с1а^а2,

следует использовать не для ступени в целом, а для решетки профилей РК (при условии осевого течения без «просадки» осевой скорости). В [69,70] автором введено понятие коэффициента

теоретического напора НА Н^ и формула для его определения, что предложено использовать при определении густот решеток профилей НА. Для решетки профилей НА предложено ис-

с

пользовать коэффициент расхода С2а = -2а и учитывать степени реактивности соседних РК в

а ц

ТГ ид 1 (р + Р +1) - (с1£а2 + С^а,з) относительном движении, т.е. рг- и рг+1. При этом в НА 1--—-= с2а-—- и

1 ( р , + Р ,+1) = 1 - Н.

-¡^ — с2а С1§Р2, здесь виртуальный коэффициент напора в относительном

движении (для НА) НТу/ =—ТРК ^—Т+1РК , т.е. определяется через коэффициенты напора со-

Н +Н

седних РК. С учетом этого в [66-96] автором предложены методики для определения кинемати ческих углов в ВНА, РК и НА. В п.2.3. для этого предложены поправки обобщенной зависимо сти Ольштейна Л.Е. для решеток профилей и использования полученной зависимости для ре шеток пластин. Предложен учет диагональности среднемассовой поверхности тока.

Как показано выше, для среднего сечения «ср» выделяется осевая компонента теорети

ческого напора НГос = НГст — АНдиаг , т.е. без учета диагональной или радиальной составляю

щей. При этом кинематические углы в РК, откладываемые от фронта в цилиндрической по верхности вдоль оси ротора

[2р + Н Тос 1 п [2р — Н Тос ]

^ = —-; ^ = —4=-;

2С1а 2С1а

1 Нт с1ва2= =--С§Р2 = (1 + —^ — р).

С2а 2

Для НА как указано выше

(1 — Р)на, = 1 — -(р' + м

НТш

2

( НТод + НТос+1) 2

Поэтому

ctga =[2(1 -р)-"А - H Tw ].

2C2a

Таким образом, на этом этапе уже определены значения c , HTi, рг в среднем сечении

ступеней, подобраны точки «ср» для ступеней на линии Н на диаграмме Смита, поэтому опре-

k

* ГГ* * * * /гтг* /гг1*\, ,

делены значения z., zа, Л*, lu , p* = р1вдгаa = pB (71* /7 jk-1 аа . —а входе в РК каждой ступени

C1i = C1ai /Sin ,

2k RT

\к +1

Это позволяет определить газодинамическую функцию плотности тока на входе в РК каждой ступени ц (Х1г.) . При этом площадь поперечного сечения на входе в РК каждой ступени

F1i =-* ч или

mpb q (^ г j

F

1i ( k 1

трХич 2 ^ (^) аи

В настоящее время для выбора густот Ь / / в среднем сечении используется главная диаграмма Хауэлла (для номинальных режимов «ном»= «*») с поправками для оптимальных режимов «опт», введенных Ю.Б. Галеркиным [101]. В данной работе предлагается для первых и последних ступеней выбор (с использованием интерполяции, рисунок 2.27) производить для обеспечения номинальных режимов, а для промежуточных ступеней - для обеспечения оптимальных режимов. Для НА предлагается вместо НТ использовать НТмг, а вместо р использовать (1_ р)^, определенные, как показано выше. При упрощенных расчетах для РК первых и последних ступеней может быть использовано выражение

V tj

íu\

1.5

а для РК промежуточных ступеней

1.55/(HT/cía j -1 1.5

b_ ^

V7Jopt * (1.76...1.81)/(HT/ü1a jopt -1.

k

Предложены и более точные выражения с использованием аппроксимации (методом греко-латинских квадратов) главной диаграммы Хауэлла с добавленными ветвями для оптимальных режимов (рисунок 2.25). В соответствии с этим методом

(b/t)

(b't )L,, = f (. )!■ (b't W ^ = f (р/с..)

(bt )|Б = f (Нт/еи )б (р/С. )б]

Рисунок 2.25 - Главная диаграмма Хауэлла (линии — для номинальных режимов «ном» = «*») с поправками для оптимальных режимов «opt» (линии — ), введенных Ю.Б.Галеркиным [73] и вспомогательные линии для интерполяции при определении густот b /1

При этом погрешность вычислений зависит от того, насколько выбранная базовая точка "Б" близка к итоговому результату. Если принято (р/с1а ) = 1 то могут быть использованы приведенные выше выражения: для среднего сечений "ср" дозвуковых первых и последних ступеней (где предлагается обеспечивать номинальный режим "ном"="*" ):

" _ 1* 1 5

(Ь' )1, , = f (ЪС. Г

1a )Б=1

155 (HTha) — 1

а для среднего сечения промежуточных ступеней (где предлагается обеспечивать оптимальный режим "опт"):

1.5

(bt )|<р/, А.= f (Hr/Ca )

'la /Б=1

(1.76...1.81)/ (HT/cia )опт — 1.

Поскольку в средних сечениях дозвуковых ступеней (ЬД) «1.2...1.6 то для дозвуковых первых и последних ступеней может быть использована базовая точка «В», в которой

(ЬД )Б = f (р/ 4« )*Б , (ПтКа ) Б = !.5 . ПРи этом (НтКа )Б = °.775 . ОпРеделенные на

Б

этом уровне по рисунку 2.38 для номинальных режимов значения

(Ь/>)(

(НгМа )Б =0.775

Таблица 2.4 Значения диаграмме Хауэлла

= / ( Р/Ц. )'

приведены в таблице 2.4.

( Ь1' )

(Нгка )Б =0.775

= f (р/с1а ) при (Ит/с1а) = 0.775 на главной

. * (Ьг) 1.5 1.5 1.0 0.666 0.5

( р/С1а )' 0.7 1.0 1.8 2.4 3.05

При этом получена аппроксимация (ЬЬ)И /с ^ =0.775 = f (р/с.«)' 1 = 0-1913(р/с-«)'3-1.0519(р/с«)'2 +1.2332(р/с«)' +1.1006

{ИтКа )Б =0.775 _

С учетом этого для выбора густот в средних сечениях "ср" дозвуковых первой и последней ступеней рекомендуется выражение

1.5

[-

1.55

г - ^

V гу

(Ит/с1а)

-1

0.1913

( \ '3 ( \ '2 ( \

р -1.0519 р + 1.2332 р

V с1« ^ V с1« ^ V с1а )

+1.1006

1.5

В соответствии с предложенными выше формулами на этом же уровне для оптимальных

режимов ( Ит/С1а)Б =( Ит/С1а)ор( =0775 при ( р I С1а \оРГ = 1

1.5

и

Борг

(1.76.1.81) 0.775

= 1 123 . Определенные на этом уровне по рисунку 2.38 для оп-

тимальных режимов значения

(Ьг)

орг

(ИтК« )Б =0.775

= f ( р/С1а )ор приведены в табл.2.5.

Таблица 2.5 Значения (Ь/?) диаграмме Хауэлла

ор?

(Нг1с1а )Б =0.775

= / ( Р/С1а )ор пРи (Нг/С1а )ор?Б = 0,775 на главной

( Ь)орг 1.123 1.123 0.749 0.499 0.374

с1а )орг 0.7 1.0 1.8 2.4 3.05

При этом аппроксимация

Ы =/

НТ

С

V 1а У ор?

= 0.1429

'р V

- 0.7859

С

V 1а у ор?

+ 0.9213

С

V 1а у ор г

+ 0.8247 .

С

V 1а У ор?

Поэтому для выбора густот в средних сечениях "ср" дозвуковых промежуточных ступеней рекомендуется выражение

V г у орг

1.5

(1.76...1.81)

(НгКа )орг

-1

0.1429

'р

-0.7859

с

V 1а у орг

+ 0.9213

с

V 1а у ор

+ 0.8247

с

V 1а у орг

УБ=1

1.5

Выше в п.2.3. получены зависимости для выбора углов атаки на номинальных ("*") и оптимальных режимах (когда КПД решеток профилей максимален). В настоящее время используется выражение

I = 6--

орг ^

0 Г ?л

/ (X/),

где

V ЬУ

V Ьу

г г

— при — <1

Ь Ь

_ Ь г 2 — при — > 1 ' г Ь

/ (X/) = 1.81 - (2 X/)2.

К =

V * У

при — < 1

Ь

1 при — > 1

Из этого следует

*

<

I = 6 -

орг

V ЬУ

/ (X/)(Ар - 6)

3-11

V Ьу

[/() - 3.12( X/)2] - 0.006Р 2 кп При > 1 ¡ор1 = aгctg(2Стах ) + 3° .Угол отставания на оптимальном режиме

борг = 0.0526 • (АР -- 19.9о).

орг

В работе [80,83,94,95] автором предложено при определении 1орг для промежуточных ступеней использовать соответственно (Ь / г) а не (Ь / г) . С использованием обобщенных за-

висимостей

^ Нт ^

тт *

VНТ у

=/

С ~ \

С1а

и

V С1а

С \ V П*у

/

' орг

Г ~ \ С1

[74] в координатах Ольштейна Л.Е. уста-

V С1а у

новлена связь углов атаки на оптимальном и номинальном (по Хауэллу) режимах. Получено упрощенное выражение для номинального угла атаки в первых и последних ступенях

I

= 1ор< -(0.145...0.175)АР * I -(0.145...0.175)АР*.

Соответственно в этих ступенях угол отставания

б* = 0.0526(Ар * - *-19.9о).

На рисунке 2.26 показано сравнение рассчитанных по предложенной методике значений оптимальных углов атаки I { с опытными и рассчитанными по традиционным методикам значениям 1ор1.

б1 4 2 0 -2 -4 -6 -8 -10 -12

Рисунок 2.26 - Сравнение линии — рассчитанных по предложенной методике значений оптимальных углов атаки 1орг с опытными и рассчитанными

по традиционным методикам значениям I { (линии — )

*

*

Для более точных расчетов предложено густоты в среднем сечении и в других сечениях ("вт", "к") определять с использованием фактора диффузорности Либляйна ( г0 для номинального режима - для первых и последних ступеней, Г для оптимального режима - для промежуточных ступеней). На Главной диаграмме Хауэлла построены изолинии фактора диффузорно-

j—,*

сти гD для номинального режима (рисунок 2.27). При этом предварительно построена интерполяционная (рисунок 2.28) линия при р /Са = 1 . Эта зависимость аппроксимирована " -(ht fia +1) ~

(Fn )* - 0.5 '

1 - e

0.66

. Для аппроксимации методом греко-латинских квадратов

b 1

при — = 1 определена базовая точка t

F,

DpK

(р/Са )* = 1;( нт/ ca )* = 0.62

= 0.45.

При этом получена аппроксимация:

^ Нт ^

V ca У .

fd -1+■

Dpi/-

0.475 •

г \2 _р

V Са у

- 0,675 •

с \ _Р

V Са у

+1.75

^ Нт ^

V Са У

I

1 +

-Р +

С„

^ Нт ^

V Са У

I

1+

i

Нт

р V Са У

С 2

a

i+

р

V Са У

*

3

1.7

1.5

1.3

1.1

0.9

0.7

0.5

0.3

0.5

1.5

2.5

Рисунок 2.27 - Изолинии FD = const для номинальных режимов РК первых и последних ступеней компрессора на главной диаграмме Хауэлла

1

2

3

О. / Г" в

0.5

0.3

0.2

0.1 0 нт/са

-1

-0.5

0.5

1.5

2.5

Т7*

Рисунок 2.28 - Интерполяционная линия для фактора диффузорности гв решеток про-

филей компрессора на номинальном режиме при

/ Л V Са

= 1

Эта же зависимость более компактно может быть представлена в виде

г* «1 +

I

1 +

v са у

Для Ь /1 ~ 1.3...1.5 базовая точка

г

(р/Са )* = 1.5; (ит/еа )* = 0.75; р/еа = 1

= 0.4536

и при этом получена аппроксимация в полиномиальном виде:

/ \5 / \4 / \3

г

-0.2432

^ Нт ^

- 0.1085

^ нН

+ 0.3331

0.00725

_р -0.07016 _Р + 0.2615 _Р -0.4662 _Р + 0.374 _Р

.С . С„ . С . С„ . С .

+ 0.3461

ВРК

0.4536

Такое же поле построено для оптимального режима (рисунок 2.29) и получены соответствующие аппроксимации. Для этого получены соответствующие аппроксимации методом греко-латинских квадратов, в т.ч. полиномиальные. Предложена аппроксимация методом греко-

0

1

2

V а У

V а У

а

а

а

а

а

латинских квадратов FDPK opt для оптимального режима. Для промежуточных ступеней режим «opt» базовая точка:

£>РК opt

(Р/Са )opt =(Нт/са )opt = 0.8397;^ ^ =1

= 0.4955

При этом получена аппроксимация в виде полинома:

F,

-0.8112

^ hH

V Са

- 0.6826

^ hH

V Са )

+ 0.30116

0.0558

1 -0.3835 £ + 0.922 1 -0.8862 £

V Са) V Са ) V Са ) V Са )

+ 0.79

ВРК opt

0.4955

4

3

:

1.7

1.5

1.3

1.1

0.9

0.7

0.5

0.3

0.5

1.5

2.5

Рисунок 2.29 - Изолинии FDopt = const и h/i = const для оптимальных режимов РК

промежуточных осевых ступеней компрессора

1

2

3

Получены формулы для определения густот в средних сечениях РК и НА промежуточных ступеней с использованием фактора диффузорности:

_( Нт/ 2 )_

(ь1< )рк =

Ги\

V I У НА

^(СС)2+(р - Нт/2)2 + (Г-РК -( Н^на/ 2)

^(Са )2+[(1 - р) НА - Нт^/ 2]2 +( Г-НА -

1 [С08 а2 - (С3а/С2а )(sin а2 /sin а3 ) c0sаз ]

Или ( ЬЛ )на

_ 2'

Г-НА - 1 + (С3а/С2а )(^ ^/^3 )