Методики расчета характеристик решеток профилей в системе повенцового имитационного моделирования компрессоров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат наук Рожков, Кирилл Евгеньевич

• Рожков, Кирилл Евгеньевич
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Рожков, Кирилл Евгеньевич

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1 Аналитический обзор методов проектирования и расчета

характеристик компрессоров

1.1 Обзор методик расчета и проектирования осевых компрессоров

1.2 Методы экспериментального и расчетного получения характеристик компрессоров

1.3 Обзор методик расчета потерь полного давления при обтекании решеток профилей

1.4 Обзор программных средств для моделирования и анализа параметров, ГДХ и картин течения в ПЧ осевых компрессоров

1.5 Анализ проблемы, постановка цели и задач исследования

Глава 2 Уточнение и расширение области адекватности методик расчета ГДХ решеток профилей, ЛВ, ступеней для использования при проектировании и анализе работы компрессоров

2.1 Модификация методов Быкова Г.А. - Ольштейна Л.Е., получение кривых номинальных режимов Хауэлла (вместо лучей) для расчета характеристик и выбора параметров решеток профилей и ЛВ

2.2 Методика выбора геометрических параметров решеток профилей по параметрам на номинальном режиме

2.3 Методика определения характеристик решеток профилей при заданной геометрии

2.3.1 Алгоритм расчета теоретического напора (при заданной геометрии решетки) без учета "просадки" скорости (вдоль поверхности тока)

2.3.2 Расчет теоретического напора с учетом диагональности, закрутки на входе и "просадки" скорости в решетке профилей

2.3.3 Расчет изоэнтропического напора по результатам расчета теоретического напора с учетом диагональности, закрутки на входе и "просадки" скорости в решетке профилей

2.4 Выводы по главе 2

Глава 3 Разработка алгоритмов и создание системы повенцового имитационного моделирования VENEC для расчета характеристик, поверхностей тока и параметров в проточной части при проектировании компрессоров

3.1 Основные уравнения, используемые при расчета характеристик осевого компрессора

3.2 Алгоритм расчета течения в лопаточном венце

3.4 Расчет рабочих лопаток на прочность

3.8 Выводы по главе 3

Глава 4 Развитие методики проектирования компрессоров с использованием разработанных методов и средств и ее апробация при анализе работы существующих и проектировании компрессоров для перспективных ГТД и ВСУ

4.1 Верификация методик для определения параметров решеток

профилей на номинальном режиме

4.2 Верификация методики расчета характеристик решеток профилей

4.3 Верификация расчета характеристик дозвуковой ступени

4.4 Верификация расчета характеристик сверхзвуковых ступеней

4.5 3D CAD/CAE-моделирование течения в трехступенчатом

сверхзвуковом компрессоре в системе AnsysСFX

4.6 Верификация методик расчета параметров и характеристики ступени (на примере ступени Nasa rotor 37)

4.7 Верификация методики расчета параметров в ПЧ осевого

компрессора в СИМ VENEC

4.8 Верификация разработанной методики проектирования компрессора на примере проектирования двухступенчатого КНД для учебно-тренировочного самолета

4.8.1 Выбор параметров и расчет течения в двухступенчатом осевом компрессоре для ТРДД в Ansys СFX

4.8.2 Верификация расчета параметров потока в осевом компрессоре в СИМ VENEC (на примере двухступенчатого КНД для ТРДД)

Выводы по главе 4

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Принятые обозначения и сокращения

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методики расчета характеристик решеток профилей в системе повенцового имитационного моделирования компрессоров»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

В настоящее время в России развернуты работы по ускоренному созданию ГТД для новых военных (ПАК ФА, ПАК ДА) и гражданских (МС-21) летательных аппаратов (самолетов, вертолетов, БП ЛА), а также для судов и наземного применения (ГТУ и ГПА). При разработке двигателей нового поколения требуется оперативно находить решения, существенно отстоящие от имеющихся прототипов.

Современная практика предполагает при создании компрессоров (на этапах эскизного и технического проектирования ГТД) использование методов расчета газодинамических характеристик (ГДХ) на основе обобщенных зависимостей Ольштейна Л.Е., Быкова Г.А. и др. В этих условиях для оперативного структурно-параметрического синтеза и оптимизации, получения обоснованных первых приближений для последующего CFD-анализа (в 3D САЕ-системах типа Ansys CFX и №теса) необходимо повысить степень и расширить область адекватности используемых полуэмпирических 2D-моделей. Предложенные в последнее время новые подходы и накопленные экспериментальные данные, средства имитационного и 3D САО/САЕ-моделирования позволяют вернуться к сделанным ранее обобщениям, упорядочить и ввести учет новых факторов и за счет этого повысить точность алгоритмов, расширить область их использования.

Выполненные в работе исследования проводились в рамках:

• хоздоговоров:

1) с ФГУП «Гидравлика», Уфа «Проведение составной части НИР в рамках эскизно-технического проекта «Разработка вспомогательной силовой установки для семейства узкофюзеляжных самолетов», 2013 г.;

2) с ООО «Оргэнергогаз» Москва, «Определение возможного влияния конструкции ГПА-16Р «Уфа» на эксплуатационную надежность двигателя АЛ-31СТН, 2014-2015 гг.;

• проектов, выполненных в рамках ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 годы:

1) «Создание перспективной промышленной информационной технологии и подготовка кадров для системной автоматизированной разработки и эксплуатации сложных наукоемких изделий на основе интеграции МетаСАПР/Framework, имитационного моде-

лирования, CAD/CAM/CAE/PLM, SCADA, ERP и СППР», 2012-2013 гг., № Госрегистрации в ЕГИСУ НИОКР 01201273607;

2) «Технология выбора типов, схем, параметров и конструкции двигателей, узлов, систем запуска, адаптивных отказоустойчивых систем управления и контроля, их экспериментально-теоретической разработки и поддержки в эксплуатации с учетом критериев оптимальности и условий применения летательных аппаратов различного назначения (включая беспилотные)», 2012-2013 гг., № Госрегистрации в ЕГИСУ НИОКР 01201273608;

• проекта Госзадания Минобрнауки РФ «Методы, модели и средства создания отечественной интегрированной информационной системы авиационных и машиностроительных предприятий для автоматизации проектирования, технической подготовки и управления дискретным производством наукоёмких изделий на основе информационного взаимодействия систем имитационного моделирования, PLM- и ERP-систем», 2014-2016, № Госрегистрации в ЕГИСУ НИОКР 115012060048.

Степень разработанности темы

Проведен обзор и анализ работ в области теории и расчета лопаточных машин: аэродинамики решеток профилей (А. Хауэлл, А. Эмери, Дж. Гастелоу), проектирования компрессоров авиационных ГТД. Проведен анализ степени и области адекватности используемых эмпирических зависимостей (А.И. Бунимовича, А.А. Святогорова, А.П.Комарова, М. Бойса и др.), специализированных программных комплексов для 3D CAD/CAE-газодинамического моделирования компрессоров авиационных двигателей (Ansys CFX, Numeca,...), программ для одномерного (повенцового, поступенчатого) расчета ГДХ осевого компрессора (ЦИАМ, ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского), программных комплексов для двумерных расчетов и оптимизации многоступенчатых компрессоров (разработанных в ЦИАМ под руководством В. С. Талызиной), программных комплексов COMPRESSOR_2D, АППОС-ГПО6 и зарубежных LUAX-C, AxSym, AxStream, Concepts NREC. Рассмотрены расчетные методы получения ГДХ ступеней и компрессоров на основе обобщенных зависимостей Ольштейна Л.Е., Г.А.Быкова и др. Выполненный анализ показал, что в условиях, когда требуется оперативно находить решения, существенно отстоящие от имеющихся прототипов, повышаются требования к продуктивности, степени и области адекватности используемых моделей. При этом степень и область адекватности используемых в настоящее время на ранних этапах проекти-

рования компрессоров полуэмпирических 2D-моделей уже недостаточны для такого оперативного и обоснованного получения первых приближений для последующего CFD-анализа с использованием 3D САЕ-систем типа Ansys CFX, №теса и др. Это позволило следующим образом сформулировать цель, направления научного исследования, задачи исследования и методы и решения.

Цель и задачи исследования

Целью работы является повышение эффективности процессов проектирования компрессоров ГТД за счет уточнения и расширения области использования полуэмпирических методик, разработки системы повенцового имитационного моделирования для структурно-параметрического синтеза, оптимизации геометрии, расчета ГДХ компрессоров и анализа их изменения в эксплуатации.

Задачи, решение которых обеспечило достижение цели исследования:

1. Анализ закономерностей построения, уточнение и расширение области использования методик расчета ГДХ, распределения параметров, линий и поверхностей тока в проточной части (ПЧ) решеток профилей, лопаточных венцов, ступеней разных типов и каскадов многоступенчатых компрессоров.

2. Разработка методики обобщенного параметризованного представления ГДХ решеток, лопаточных венцов, ступеней и каскадов, их использования при проектировании компрессоров.

3. Разработка алгоритмов и создание системы повенцового имитационного моделирования "УЕКЕС для расчета ГДХ, распределения параметров, линий и поверхностей тока в элементах ПЧ при проектировании компрессоров.

4. Развитие методик проектирования компрессоров и диагностики их состояния в эксплуатации с использованием разработанных методик и средств и их апробация на примере анализа работы существующих и проектирования компрессоров для перспективных ГТД и ВСУ.

Объект исследования: рабочие процессы, параметры и ГДХ дозвуковых, транс- и сверхзвуковых решеток профилей, лопаточных венцов, ступеней и компрессоров в целом, методы их расчета и проектирования.

Предмет исследования: методики расчета ГДХ решеток профилей, лопаточных венцов (ЛВ), поверхностей тока и параметров потока по высоте ЛВ и вдоль проточной части (ПЧ), расчета и параметризованного представления ГДХ при проектировании ЛВ,

ступеней и многоступенчатых компрессоров с использованием имитационного 2D и 3D СЛВ/СЛЕ-модедирования.

Научная новизна: выявленные новые закономерности построения ГДХ решеток профилей, ЛВ, ступеней и многоступенчатых компрессоров; разработанные на этой основе методики их расчета и параметризованного представления, система 2D-повенцового имитационного моделирования компрессоров, включающие в себя:

1. Уточненные параметризованные 2D-математические модели расчета ГДХ ЛВ (осевых, диагональных, радиальных) в компрессорах авиационных ГТД и ВСУ. В отличие от существующих они с большей точностью учитывают геометрию решеток профилей (густоту, толщину, «лопаточные» углы входа и выхода,...), относительный диаметр втулки, радиальное равновесие в полной постановке (с учетом кривизны линий тока), срывные явления, скорость натекания, диагональность, «просадку» скорости вдоль поверхностей тока. При этом впервые в применении к расчету ГДХ решеток профилей использован (с рядом уточнений) подход Г.А.Быкова (ЦКТИ), обоснован выбор для расчета ГДХ не только решеток, но и ЛВ, ступеней и компрессоров в качестве базового номинального режима, который определяется по Хауэллу и по предложенному в работе способу.

2. Методику проектирования (выбора геометрии и режимов работы) решеток профилей, ЛВ рабочих колес (РК) и направляющих аппаратов (НА): осевых, диагональных, радиальных, ПЧ компрессора, с учетом закрутки на входе, диагональности, «просадки» скорости вдоль поверхностей тока, кривизны линий тока, скорости натекания. При этом компрессор (в виртуальной аддитивной технологии) последовательно "выращивается", начиная с ВНА и ЛВ первой ступени и со втулки вверх по ПЧ, задаваясь густотами решеток у втулки так, что на номинальном режиме компрессора все решетки всех ЛВ одновременно оказываются на номинальном режиме.

3. Систему повенцового имитационного моделирования "УЕКЕС (свидетельство о регистрации программ для ЭВМ Роспатента РФ №2012612817), позволяющую на этапах эскизного и технического проектирования производить проектировочный расчет компрессоров со ступенями различных типов (осевых, диагональных, радиальных), рассчитывать ГДХ и изменение параметров по высоте ЛВ и вдоль ПЧ (на основе уточненных 2D-моделей, с учетом уравнения радиального равновесия в полной постановке), оценивать запасы прочности и напряжения, возникающие в лопатках ротора и статора.

4. Методику выбора параметров и режимов при проектировании компрессора с учетом требуемого отклонения расчетного режима от номинального для каждой решетки,

лопаточного венца РК и НА и компрессора в целом, влияния положения ВНА и НА на ГДХ компрессоров, выделения (по предложенному способу) на ГДХ линий номинального режима, запирания и границ устойчивости. Впервые для НА предложено строить ГДХ так же, как для РК (в виртуальном вращении статора относительно ротора, строить

нТжО¥ (с2а ) при закрутке на входе р2).

Практическая ценность

Разработанные методики расчета и параметризованного представления ГДХ компрессоров, система повенцового имитационного моделирования "УЕКЕС имеют практическую ценность, а именно позволяют:

• сократить время и затрачиваемые ресурсы на получение первого приближения для последующего CFD-анализа (в Ansys, Numeca) при проектировании и доводке компрессоров;

• рассчитывать ГДХ ЛВ, ступеней и многоступенчатых компрессоров на этапах эскизного и технического проектирования, прогнозировать их изменение в эксплуатации.

Это позволяет повысить эффективность проектирования и диагностики состояния компрессоров в составе ГТД, ВСУ и наземных ГТУ.

Методология и методы исследования

При выполнении работы использованы следующие методы и способы исследования:

• теория рабочих процессов авиационных ГТД, положения механики жидкости и газа, теории лопаточных машин, аэромеханики решеток профилей;

• феноменологический подход и асимптотический анализ закономерностей протекания ГДХ решеток профилей, ЛВ, ступеней и компрессоров разных типов в широком диапазоне режимов работы и изменения параметров;

• методология имитационного моделирования (на основе технологии САМСТО, разработанной в НИЛ САПР-Д УГАТУ);

• методы регрессионного анализа экспериментальных данных (с использованием ПФЭ, полиноминальных зависимостей и греко-латинских квадратов );

• численные методы 3D САО/САЕ-моделирования рабочих процессов в ПЧ ГДХ решеток профилей, ЛВ, ступеней и компрессоров.

Положения, выносимые на защиту

1. Методика расчета ГДХ решеток профилей с учетом влияния диагональности, гео-

метрии (густоты, толщины, «лопаточных» углов входа и выхода), скорости натекания, «просадки» скорости вдоль поверхностей тока, кривизны линий и поверхностей тока, положения ВНА и НА и т.д., расчета ГДХ, распределения параметров, линий и поверхностей тока в ПЧ ЛВ, ступеней разных типов, многоступенчатых компрессоров с учетом уравнений радиального равновесия в полной постановке. Параметризованные модели ЛВ, ступеней и компрессоров, учитывающие основные факторы и позволяющие проводить структурно-параметрический синтез и оптимизацию геометрии ПЧ и параметров компрессора на ранних этапах проектирования (эскизный и технический проект), а также при диагностике в эксплуатации.

2. Методика 2D-расчета (в двумерной постановке) ГДХ диагональных, радиальных, центробежных и осевых многоступенчатых компрессоров в широком диапазоне режимов (включая области пониженных частот вращения, авторотации, помпажа, запирания), позволяющая выбирать параметры (геометрию ЛВ и ПЧ, режимы работы) с учетом протекания напорных веток, требуемого отклонения расчетного режима от номинального для всех решеток и ЛВ в составе компрессора, требуемых запасов газодинамической устойчивости и получать их ГДХ уже на ранних этапах проектирования.

3. Система повенцового имитационного моделирования (СИМ) VENEC, обеспечивающая решение на основе уточненных алгоритмов ряда проектно-доводочных задач при создании и эксплуатации осевых, диагональных и центробежных компрессоров современных и перспективных авиационных двигателей и вспомогательных силовых установок.

4. Результаты апробации разработанных методик и системы повенцового имитационного моделирования VENEC путем сравнения расчета картин течения, ГДХ и параметров решеток профилей, модельных и натурных дозвуковых и сверхзвуковых ступеней, трехступенчатого компрессора - вентилятора нового ТРДД с экспериментальными данными. Результаты их апробации при проектировании двухступенчатого (взамен трехступенчатого) компрессора (вентилятора) с высоконапорными ступенями для нового ТРДД, центробежного компрессора с поворотным ВНА для новой ВСУ и сравнение полученных параметров и ГДХ с результатами 3D CAD-CAE-моделирования в CAE-системе Ansys CFX.

Степень достоверности научных положений, результатов и выводов, содержащихся в диссертационной работе, подтверждается:

• экспериментальными данными по продувкам решеток профилей в ЦИАМ (Буни-мович А.И.-Святогоров А.А.), в NASA (А.Эмери),

• испытаниям модельных и полноразмерных до- и сверхзвуковых ступеней (в ЦКТИ и NASA), полноразмерных компрессоров (ВД-100, КНД АЛ-55),

• данными по изменению параметров.

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

Внедрение

Результаты работы внедрены в ПАО «НПО «Сатурн», ФГУП УАП «Гидравлика», ИТЦ ООО "Газпром трансгаз Уфа" и в учебный процесс ФГБОУ ВО УГАТУ.

Апробация результатов исследования

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на НТК "Зимняя школа аспирантов" (УГАТУ-Уфа, 2010, 2012); Международной НТК "Авиадвигатели XXI века" (Москва, ЦИАМ, 2010), Международной НТК "Проблемы и перспективы развития двигателестроения" в СГАУ (Самара, 2014), конференции «Авиадвигатели XXI века» (Москва, ЦИАМ им. П.И. Баранова, 24 -27 ноября 2015).

Публикации

По результатам выполненных исследований и разработок опубликовано 13 работ, в том числе 12 публикаций в центральных рецензируемых журналах, включенных в перечень ВАК РФ и 1 статья в журнале, индексируемом в SCOPUS. Получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ Роспатента РФ на СИМ VENEC № 2012612817.

Глава 1 Аналитический обзор методов проектирования и расчета

характеристик компрессоров

1.1 Обзор методик расчета и проектирования осевых компрессоров

В настоящее время в соответствии со стандартом [19] в процессе разработки компрессора выделяется его аэродинамическое проектирование [25]. Оно включает расчеты компрессора на основе одномерной, двумерной математических моделей и трехмерный расчет вязкого течения в лопаточных венцах (ЛВ). Аэродинамическое проектирование начинается с так называемого "базового" расчета компрессора, который выполняется в несколько этапов.

Предварительный этап - расчёт, при котором определяются основные геометрические размеры ПЧ (проточной части) МОК (многоступенчатого осевого компрессора), выбираются тип и число ступеней в компрессоре форма ПЧ, законы изменения по ступе*

ням осевой скорости Сщ, степени реактивности рст;, адиабатического КПД г сШ , напора Н св , а также выполняется термодинамический расчёт МОК с целью определения зна-

* гт *

чений заторможенных давлений р 1 и температур 11 за каждой ступенью.

Затем следует кинематический расчёт ступеней МОК на среднем диаметре, при котором определяются кинематические параметры (с^^ Т Р^ всех ступеней, соответст-

**

вующие выбранному закону изменения г ст , и Н сп . В проточной части МОК проводится оценка соответствия расчётных параметров ЛВ на среднем диаметре диапазону их рекомендуемых оптимальных значений [63], а также уточняются предварительно выбранные геометрические размеры ПЧ МОК. Выполняется расчёт кинематических параметров ступеней МОК на различных радиусах по высоте ПЧ, при этом выбирается закон распределения закрутки потока по высоте лопатки, определяются скорости и направления потока, обеспечивающие получение заданных для рассчитываемой ступени Н**п , и п*сТ[ при

выбранном законе распределения закрутки потока по высоте лопатки.

И наконец, производится расчёт геометрических параметров профилей ЛВ ступеней для выбранного закона закрутки каждой лопатки, при этом в контрольных сечениях лопаточных венцов каждой ступени определяются геометрические размеры профилей лопаток

( , Ьг , , , Р1 л , Р 2 л и т.д.).

В Центральном научно-исследовательском и проектно-конструкторском котлотур-бинном институте им. И.И. Ползунова (ЦКТИ) Быковым Г.А. предложен несколько иной метод расчета [5,46] ЛВ на основе обобщенных зависимостей. Он основан на использовании экспериментальных газодинамических характеристик (ГДХ) исходных (модельных) ступеней, результатов исследований взаимного влияния ступеней в многоступенчатых компрессорах и влияния отклонений от геометрического подобия на ГДХ ступеней. Метод предназначен для расчета ЛВ воздушных компрессоров производительностью до 300 кг/с при отношении давлений до 4,5 и окружной скорости не более 280 м/с. ГДХ исходных ступеней с различной степенью реактивности (0,5: 0,7; 1,0) получены, как правило, при испытании одноступенчатых и многоступенчатых моделей. Исходные ступени предназначены для работы при числах М меньше критических, в соответствии с чем должны выбираться окружные скорости рабочих колес (РК). По методу ЦКТИ ЛВ осевого компрессора формируются из одной или нескольких модельных ступеней путем подрезки части лопаток со стороны втулки и (или) периферии, т.е. одновременно с двух сторон. Для переноса ГДХ модельных ступеней на натурные ступени должно быть соблюдено их геометрическое подобие, обеспечено в сходственных точках равенство основных критериев подобия: чисел М, Рейнольдса ^е) и показателя адиабаты (к). Кроме того, должно быть соблюдено подобие относительных эквивалентных шероховатостей поверхностей проточной части натурных и модельных ступеней. Расчет ЛВ по методу ЦКТИ производится на среднем диаметре по параметрам заторможенного потока. ГДХ исходных ступеней также определены по полным параметрам. Сопоставление опытных и расчетных ГДХ компрессоров, спроектированных по методу ЦКТИ, показало, что в исследованном диапазоне окружных скоростей в точках максимального коэффициента полезного действия (КПД) наибольшее расхождение между опытными и расчетными значениями КПД и отношений давлений не превышает 1...2 %. При отклонении от этого режима в область больших или меньших производительностей расхождение может достигать 2... 3 %.

Расчет ЛВ осевого компрессора стационарного типа состоит из нескольких этапов. На первом этапе проводятся вариантные расчеты ЛВ с целью выбора оптимального варианта для последующих расчетов. Вариантные расчеты выполняются с использованием экспериментальных ГДХ исходных (модельных) ступеней и включают приближенный расчет потерь давления во всасывающем и нагнетательном патрубках компрессора, наружного диаметра ЛВ, числа ступеней компрессора, КПД ЛВ, длины лопаток первой и последней ступеней, величины подрезки последних лопаток.

Расчет оптимального варианта состоит из первого и второго поступенчатых расчетов ЛВ с учетом поправок к расчетным значениям КПД и коэффициента напора из-за отклонения от геометрического и динамического подобия, определения КПД ЛВ, мощности, затраченной на сжатие газа, статических давлений и температур на среднем радиусе перед и за РК.

1.2 Методы экспериментального и расчетного получения характеристик

компрессоров

В настоящее время в рамках газодинамического расчёта при проектировании компрессора принято определять число ступеней параметры ступеней, ЛВ и решеток профилей в их составе размеры и геометрию ПЧ только для одного режима работы, который называется проектным (расчётным). Соответственно, параметры на этом режиме также называются проектными и помечаются индексами «о» или «р».. В условиях эксплуатации вследствие изменения скорости и высоты полета и соответствующего изменения величин потребной тяги или мощности режимы работы двигателя и компрессора варьируются в широких пределах. Это связано с изменениями частоты вращения, степени повышения давления в ступенях и в компрессоре в целом, расхода воздуха, скоростей потока и углов натекания воздуха на лопатки. В результате изменяется мощность, потребляемая компрессором, и его КПД, а в некоторых случаях возможно появление нежелательной неустойчивой работы. Для определения параметров компрессора на нерасчётных режимах расчёты выполняются по известным геометрическим размерам. Такие расчёты обычно называют "поверочными". Общие зависимости между степенями повышения давления, коэффициентами полезного действия, частотами вращения и расходами воздуха называются ГДХ компрессора. Знание ГДХ необходимо для выбора оптимальных условий работы компрессора в системе двигателя, оптимального регулирования турбокомпрессора, обеспечивающей работу в области характеристик с высоким КПД при условии достаточности запасов газодинамической устойчивости компрессора.

Трудность газодинамического проектирования компрессоров связана с исключительно сложным характером движения газа в его ПЧ. Поэтому обычной является практика проведения экспериментов с моделями (точными уменьшенными копиями), испытываемыми на специальных исследовательских стендах. Однако этот метод является трудоемким и требует принятия специальных мер для возможности переноса результатов на полномасштабные компрессоры. Поэтому как ранее, так и сейчас, а также в обозримом буду-

щем для успешной работы по созданию и эксплуатации компрессоров необходимо учитывать полученные эмпирическим путем закономерности протекания их ГДХ, влияние режимных и конструкторских параметров.

В настоящее время основой газодинамической теории компрессоров и практики их проектирования служат результаты испытания моделей компрессоров и ступеней на специальных установках - экспериментальных стендах. Модели ступеней отличаются размерами от натурных компрессоров, но имеют такую же форму ПЧ. Теория подобия определяет условия, при которых безразмерные ГДХ моделей и натурных ступеней (компрессоров) совпадают. Аргументом при построении обезразмеренных ГДХ выступает безразмерный коэффициент расхода, а не массовый или объемный расход, как у размерных ГДХ.

Наиболее надёжным методом получения ГДХ является экспериментальный. Простейшая схема такого стенда приведена на рисунке 1.1 [62]. Ступень компрессора или многоступенчатый компрессор 2 приводится во вращение с помощью ГТП (газотурбинного привода) или электродвигателем 5. При использовании в качестве привода электродвигателя необходимо применять мультипликатор 4. Воздух поступает в компрессор через коллектор, который имеет специально профилированный плавный вход. Тем самым создается равномерное поле скоростей перед компрессором. В коллекторе мерным соплом 1 измеряется величина расхода воздуха, проходящего через компрессор. Из компрессора воздух поступает в ресивер, проходя затем дроссельную заслонку 3.

777777/

Рисунок 1.1 - Схема стенда для испытаний компрессора

Известно, что основными влияющими на степень повышения полного давления и

к

КПД являются параметры: плотность тока на входе в компрессор q(X) и приведенная

окружная скорость в концевом сечении Хи или пропорциональные им приведенные расход воздуха Gпр и частота вращения ппр. Путем изменения мощности электродвигателя и по-

ложения дроссельной заслонки можно установить режим работы компрессора в требуемом диапазоне изменения этих параметров. В процессе проведения экспериментов измеряются: расход воздуха, полные давления и температура торможения во входном и выходном сечении компрессора, крутящий момент и частота вращения. Определяются

среднемассовые значения температуры и давления за компрессором. По этим величинам

* *

определяются и ^ к при каждом сочетании параметров д(Х), или Gпр, ппр и строится ГДХ компрессора, т. е. зависимость вида (1.1) или (1.2).

Анализ показал, что наиболее надежным является метод определения ГДХ путем испытания компрессоров на стенде. Однако на практике важно знать (или прогнозировать) ГДХ еще при проектировании и конструировании компрессора, т. е. до его изготовления, что возможно только с использованием методов расчета характеристик. Это позволяет заблаговременно оценить пригодность компрессора для всех режимов работы двигателя. Кроме того, возможность произвести расчет ГДХ сокращает дорогие и длительные испытания и доводку.

Расчет ГДХ многоступенчатых осевых компрессоров представляет одну из наиболее трудных проблем, с которой приходится встречаться при их проектировании. Как показал выполненный анализ, в опубликованных исследованиях [5, 29, 40, 46, 49, 60, 62] рассматриваются, в основном, три метода расчета ГДХ компрессоров.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Рожков, Кирилл Евгеньевич, 2017 год

Список литературы

1. Абрамович, Г.Н. Прикладная газовая динамика. - М.: Наука, 1969. - 824 с.

2. Автоматизация проектирования лопаток авиационных турбомашин: методология, алгоритмы, системы / под ред. Б.М.Аронова. - М.: Машиностроение, 1994. - 235 с.

3. Акимов, В.М., Бакулев, В.И., Горбунов, Г.М. и др. Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей. / Под ред. С. . Шляхтенко. - М.: Машиностроение, 1975. - 568 с.

4. Аржаников, Н.С., Мальцев, В.Н. Аэродинамика (второе издание). - М.: ГИОП, 1956. - 484 с.

5. Атлас исходных модельных ступеней осевых компрессоров. Центральный кот-лотурбинный институт им. И.И. Ползунова. - Л.: Отдел научно-технической информа-ции,1967.- 220 с.

6. Аэродинамика турбин и компрессоров. / Под ред. У.Р. Хауторна. Пер. с англ. М.: Машиностроение, 1968. - 742 с.

7. Басов, Ю.Ф. Расчетное исследование течения в сверхзвуковом рабочем колесе / Ю.Ф. Басов, Н.В. Пижанкова / / Авиационно-космическая техника и технологии. - 2009. № 2/59.- С. 77-81.

8. Басов, Ю.Ф. Совершенствование метода расчета течения в высоконапорной компрессорной ступени / Ю.Ф. Басов, Л.Г.Бойко, А.Е. Демин // Авиационно-космическая техника и технология. - 2009. № 2/59. - C. 63-68.

9. Белоусов, А. Н. Теория и расчет авиационных лопаточных машин / А. Н. Белоусов, Н. Ф. Мусаткин, В. М. Радько. - Самара: Сам. Дом Печати, 2003 . - 344 с.

10. Брусиловский, И.В. Аэродинамика осевых вентиляторов. - М.: Машиностроение, 1984. - 240 с.

11. Бойко, Л.Г. Анализ трансзвукового обтекания плоских компрессорных решеток методом крупных частиц /Л.Г. Бойко, В.Н. Ершов и др. // Изв. Вузов. Авиц. техника. 1990. №4. - С. 44-47.

12. Бунимович, А.И., Святогоров, A.A. Аэродинамические характеристики плоских компрессорных решеток при большой дозвуковой скорости // Сборник статей «Лопаточные машины и струйные аппараты». - М.: Машиностроение ,1967. Вып. 2. - С. 5-35.

13. Бунимович, А.И., Святогоров, A.A. Обобщение результатов исследования плоских компрессорных решеток при дозвуковой скорости // Сборник статей «Лопаточные машины и струйные аппараты». - М.: Машиностроение, 1967. Вып. 2. - С. 36-66.

14. Основы проектирования газотурбинных двигателей и установок / П.П.Васильев, В.А.Коваль, В.В.Канаков, Г.В.Павленко, В.В.Романов. - Харьков: Контраст, 2005.- 376 с.

15. Газовая динамика: [учебное пособие для студентов университетов] / Х. А. Рах-матулин [и др.]. - М.: Высш. школа, 1965.- 722 с.

16. Галеркин, Ю.Б. Турбокомпрессоры [Электронный ресурс]: учеб. пособие / Ю. Б. Галеркин, Л. И. Козаченко; Санкт-Петербургский государственный политехнический университет. - Электрон. текстовые дан. - СПб., 2008. -374 с.

17. Газодинамический расчет ступени вентилятора газотурбинного двигателя. Учебное пособие / Ю.М.Терещенко/ — Киев: Изд. КВВИУД974. - 64с.

18. Гостелоу, Д.П. Аэродинамика решеток турбомашин / Д.П. Гостелоу; Пер.сангл.Н.М. Савина, А. П. Кадетова; Под ред. В.Т. Митрохина. - М. : Мир, 1987. -391с.

19. ГОСТ Р 53791-2010Стадии жизненного цикла изделий производственно-технического назначения. - М.: Стандартинформ, 2011.

20. Дейч, М.Е. Основы аэродинамики осевых турбомашин / М.Е. Дейч, Г.С. Самой-лович. - М. : Машгиз, 1959. - 428 с.

21. Диксон, С. Л. Термодинамика турбомашин: Пер. с англ Данилова Р.Е., Осипова М.И. - М.: Машиностроение, 1981. - 213 с.

22. Довжик, С.А., Гиневский, A.C. Потери давления в лопаточных венцах осевого дозвукового компрессора // Сб. стат. «Промышленная аэродинамика». - М.: Оборонгиз, 1961. Вып.20. - С. 5-56.

23. Довжик, С.А. Экспериментальное исследование двух одноступенчатых компрессоров в широком диапазоне чисел Рейнольдса // Сб. стат. «Промышленная аэродинамика». - М.: Оборонгиз, 1961. Вып.11. - С. 57-73.

24. Емин, О.Н., Новиков, A.C. Выбор основных параметров компрессоров ГТД. Учебное пособие. - М: Изд-во МАИ, 1982. - 34 с.

25. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок, серия «Газотурбинные двигатели» / А.А. Иноземцев, М.А. Нихамкин, В.Л. Сандрацкий. М.: Машиностроение, 2008.

26. Жданов, И. А. Методика теоретического расчета характеристики компрессора авиационного двигателя // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С. П. Королёва,- 2009, № 3, Ч. 3. - С. 76-82.

27. Жуковский, М.И. Аэродинамический расчет потока в осевых турбомашинах. -М.: Машиностроение , 1967. - 287 с.

28. Казанджан, П.К. Теория авиационных двигателей. Теория лопаточных машин: Учебник / П.К. Казанджан, Н.Д.Тихонов, А.К. Янко. - М.: Машиностроение, 1983. - 217 с.

29. Казанчан, П.П. Обобщение результатов продувок плоских компрессорных решеток методом регрессионного анализа / П.П. Казанчан, Б.В.Караваев, В.И. Серков,

B.Н. Шишкин // Труды ЦИАМ, 1975, №679. - 64 с.

30. Кампсти, Н. Аэродинамика компрессоров: Пер. с англ. - М.: Мир, 2000. - 688 с.

31. Кириллов, И.И Теория турбомашин. Л.: Машиностроение, 1972. - 536 с.

32. Кириллов, И.И. Теория турбомашин: Примеры и задачи. Для вузов по спец. "Турбиностроение".— Л. Машиностроение. Ленингр.отд-ние, 1974.

33. Комаров, А.П. Исследование плоских компрессорных решеток // Сбор, стат. «Лопаточные машины и струйные аппараты». - М.: Машиностроение ,1967. Вып. 2. -

C. 67-110.

34. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей: учеб. для вузов по спец. "Авиац. двигатели и энерг. установки" / С.А.Вьюнов, Ю.И.Гусев, А.В.Карпов и др.; Под общ. ред. Д.В.Хронина. - М.: Машиностроение, 1989. - 565 с.

35. Лепешинский, И.А. Газодинамика одно- и двухфазных течений в реактивных двигателях. - М.: Изд-во МАИ, 2003. - 276 с.

36. Лойцянский, Г. Л. Механика жидкости и газа. - М.: Наука , 1978. - 736с.

37. Манушин, Э.А., Суровцев, И.Г. Конструирование и расчет на прочность турбомашин и комбинированных установок. - М.: Машиностроение, 1990. - 400 с.

38. Метод поверочного расчета течения в проточной части центробежного компрессора и его апробация / Л.Г. Бойко, А.Е. Демин, Е.С. Барышева, К.В. Фесенко, Ю.С. Бухолдин, В.Н. Довженко // Авиационно-космическая техника и технология, 2005, № 2 (18). - С. 42-48.

39. Метод расчета двумерного течения в многоступенчатом осевом компрессоре / Л.Г. Бойко, Г.А. Гирич, В.Н. Ершов, В.Н. Яневич // Изв.ВУЗов. - М.: Машинострое-ние,1989. - № 5. - C. 37-41.

40. Ольштейн, Л.Е., Процеров, В.Г // Труды ЦИАМ №150 с.п. Метод расчета осевого компрессора по данным продувок плоских компрессорных решеток. - Издательство бюро новой техники, 1948. - 63 с.

41. Нестационарное обтекание и аэроупругие колебания решеток турбомашин / Г. С. Самойлович. - М.: Наука, М, 1909, 444 с.

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

43. Нечаев, Ю. Н. Теория авиационных газотурбинных двигателей: учебник / Ю. Н. Нечаев, Р. М. Федоров. - Москва: Машиностроение, 1978, Ч. 2. - 333 с.

44. Норенков, И.П.Основы автоматизированного проектирования: Учеб.для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 336 с.

45. Ржавин, Ю. А. Лопаточные машины двигателей летательных аппаратов. Теория и расчет: / Ю. А. Ржавин, О. Н. Емин, В. Н. Карасев ; Московский авиационный институт (государственный технический университет) ; под ред. Ю. А. Ржавина . - Москва : МАИ-ПРИНТ, 2008 . - 699 с.

46. РТМ 24.020.17-73. Методика аэродинамического расчета проточной части осевого компрессора для стационарных установок. 205 с.

47. Подобуев, Ю.С., Селезнев К.П. Теория и расчет осевых и центробежных компрессоров. - М.,Л.: Машгиз 1957. - 390 с.

48. Попов, Ю.А. Создание методики газодинамического расчета, оптимизация и анализ проточной части осевых компрессоров и ступеней.: Автореф. дис. ... канд. тех. наук. Санкт-Петербург, 2010. -17 с.

49. Проектный термогазодинамический расчет основных параметров авиационных лопаточных машин / А. Н. Белоусов [и др.] ; Самарский государственный аэрокосмический университет им. С. П. Королева (СГАУ) . - Самара: СГАУ, 2006 . - 316 с.

50. Расчет на ЭВМ параметров и профилирования лопаток осевого компрессора по радиусу. Учебное пособие / Солохина Е.В., Митрофанов A.A. - М.: Изд-во МАИ, 1978. -82 с.

51. Ржавин, Ю.А. Осевые и центробежные компрессоры двигателей летательных аппаратов: Теория, конструкция и расчет / Ю.А. Ржавин ; Под ред.В.И.Локая. - М.: Изд-во МАИ, 1995 . - 344 с.

52. Стационарные газотурбинные установки: Справочник / Л. В. Арсеньев и др. ; под общ. ред. Л. В. Арсеньева, В. Г. Тырышкина. - М. : Машиностроение. Ленингр.отд-ние, 1989 . - 542 с.

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

54. Система имитационного моделирования Venec / К.Е. Рожков, И. А. Кривошеев // Свидетельство № 2012612817 Москва, Роспатент. - 2012.

55. Степанов, А.И. Центробежные и осевые компрессоры, воздуходувки и вентиляторы. Пер. с англ. - М.: Машгиз,1960. - 347 с.

56. Стечкин, Б.С., Казанджан, П.К., Федоров, P.M. и др. Теория реактивных двигателей (лопаточные машины). - М.: Оборонгиз,1956. - 548 с.

57. Суммарное силовое воздействие стационарного плоского потока на прямолинейную решетку профилей / Гинзбург С. И. // Сб. «Лопаточные машины и струйные аппараты», вып. 3, - М.: Машиностроение,. 1968. - С. 96.

58. Терещенко, Ю.М. Аэродинамика компрессорных решеток. - М.: Машиностроение, 1979. - 120 с.

59. Терещенко, Ю.М. Аэродинамическое совершенствование лопаточных аппаратов компрессоров. - М.: Машиностроение, 1987. - 168с.

60. Термогазодинамические расчёты авиационных ГТД: Учеб. Пособие / А. М. Ах-медзянов, В. П. Алаторцев, Х. С. Гумеров, Ф. Ф. Тарасов; Уфимский авиационный институт. Уфа 1990. - 340 с.

61. Федоров, Р.М., Альбом характеристик компрессоров. - М.: Издательство ВВИА им. Жуковского, 1981. - 181 с.

62. Холщевников, К. В. Теория и расчет авиационных лопаточных машин : учебник для авиационных вузов и факультетов / К. В. Холщевников. - Москва: Машиностроение, 1970 .- 610 с.

63. Холщевников, К. В. Теория и расчет авиационных лопаточных машин / К. В. Холщевников, О. Н. Емин, В.Т. Митрохин .- 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Машиностроение, 1986 . - 432 с.

64. . Хоуэлл, А.Р. Газодинамика осевого компрессора // Сб. стат. «Развитие газовых турбин». Пер.с англ. / Под ред. АлександроваВ.Л. - М.: Изд- во БНТИМАП,1947. - С. 4256.

65. Черкасский, В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 415 с.

66. Эккерт, Б. Осевые и центробежные компрессоры. Применение, теория, расчет / Б. Эккерт ; Пер. с нем. Е. С. Фролова, Б. Д. Захарова. - М. : Машгиз, 1959. - 677с.

67. AGARD/PEP Working Group 12, Trough Flow Calculations in Axial Flow Turbomachines, AGARD-AR-175, 1981.

68. Boyce, M. P., Advanced Gas Turbines, Availability and Maintainability, Power and Energy Technology - China, Spring 2008.

69. Johnson, I.A.Aerodynamic Design of Axial-Flow Compres-sors.NASA.Revised.Scientific and Technical Information Division,-1965.

70. Horlock J H Axial Compressors. Butterworth, reprinted with supplementarymaterial, Krieger Publishing Co Inc 1973.

71. Howell, A. R., Fluid Dynamics of Axial Compressors,Proceedings, Institution of Mechanical Engineers, Vol. 153, 1945, pp. 441-452.

72. Falck, N. Axial Flow Compressor Mean Line Design, s.l.: Division of Thermal Power Departament of Energy Sciences Lund University, 2008. Master Thesis. -119 p.

73. Koch, C.C. and Smith, L.H., Jr.; "Loss Sources and Magnitudes in Axial-Flow Compressors," Transactions of ASME Journal of Engineering for Power, Vol. 98,Series A, No. 3, July 1976, Page 411-424.

74. Lieblein, S., "Incidence and Deviation-Angle Correlations for Compressor Cascades," Journal of Basic Engineering, Transactions of ASME, Ser. D. Vol. 82, 1960, pp. 575-587.

75. Lieblein, S., "Loss and Stall Analysis of Compressor Cascades," Journal of Basic Engineering, Transactions of ASME, Ser. D. Vol. 81, 1959, pp. 387-400.

76. Lieblein, S. and Roudebush, W. H., "Theoretical Loss Relations for Low-Speed Two-Dimensional-Cascade Flow," NACA TN 3662, 1956.

77. Schobeiri M. T. Advanced Compressor LossCorrelations. Part I: Theoretical Aspects / M. T. Schobeiri// International Journal of Rotating Machinery-1997. Vol. 3. №3. - P. 163-177.

78. Serovy, G. K., "Axial-Flow Turbomachine Through-Flow Calculation Methods Through Flow Calculations in Axial Turbomachines, AGARD-AR-175, 1981.

79. Technical paper NASA TP1659:" Performance of sigle-stage axial-flow transonic compressor with rotor and stator aspect ratios of 1.19 and 1.26, respectively? and with design pressure ratio of 2,05"/ R.D. Moore, L. Reid, NACA, 1980.

80. Veres J.P., Axial and Centrifugal Compressor Mean Line flow Analysis Me-thod,NASA, TM-2009-215585,2009

81. Быков, Г.А. Расчет аэродинамических характеристик осевых компрессорных осевых ступеней на основе обобщенных зависимостей. Теплоэнергетика. АН СССР. ГК СМ СССР по науке и технике и НТО энергетической промышленности. № 11, ноябрь 1965. - С. 79-81.