Введение к работе
Актуальность работы. При разработке современных газотурбинных двигателей (ГТД) используются экспериментально-теоретические методы оптимизации геометрии и газодинамических характеристик элементов проточной части, в то же время имеется возможность и необходимость дальнейшего совершенствования и развития этих методов. В частности, в настоящее время развиты недостаточно методы оптимизации геометрии переходных каналов и ступеней турбин (по коэффициенту полезного действия (КПД) и другим критериям) в зависимости от режимов, формы каналов, формы лопаток с применением методов 3D CAD/CAE - численного моделирования.
В турбореактивных двухконтурных двигателях (ТРДД) с большой степенью двухконтурности и при конвертации авиационных ГТД в наземные газотурбинные установки (ГТУ) часто используется кольцевой межтурбинный переходной диффузор с коническими образующими (МПД), соединяющий турбины на разных диаметрах. В таких конструкциях МПД оказывает большое влияние на газодинамические характеристики расположенной за ним турбины (в ТРДД это турбина вентилятора (ТВ)), что влияет на экономические и эксплуатационные показатели ГТД. Требование уменьшения массы и длины ГТД реализуется, в том числе, и за счет сокращения длины МПД. Если при этом проектные диаметры турбин сохраняются, то конусность обводов МПД увеличивается, что существенно влияет на газодинамические характеристики МПД и расположенной за ним турбины. На эти характеристики также влияют размещаемые внутри МПД стойки и обтекатели, влияние которых усиливается от не осевого угла выхода потока из высоконагруженных турбин современных ГТД.
В конвертированных авиационных и нетрадиционных схемах перспективных ГТД используются турбины с боковым подводом газа. В таких ГТД существуют проблемы обеспечения высокой эффективности турбины с подводящим патрубком. На этапе проектирования, при формировании конструктивного облика данных ГТД, большое значение также имеет выбор схемы подвода газа к турбине, от которой будет зависеть экономичность создаваемого ГТД.
В связи с этим, актуальной является разработка экспериментально-теоретических методов совершенствования газодинамических характеристик турбин ГТД с использованием численных исследований лопаток турбин, экспериментальных исследований МПД с расположенной за ним турбиной, разных вариантов турбины с несимметричным боковым подводом газа, разных схем подвода газа к турбине.
Целью работы является исследование и разработка методов обеспечения требуемых газодинамических и массогабаритных характеристик турбин ГТД.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
Разработка метода оптимизации геометрии проточной части турбин (на примере лопаточных аппаратов, включая математическую модель влияния геометрии лопаточных аппаратов на КПД турбины).
Разработка экспериментальных установок и методик для исследования газодинамических характеристик МПД и расположенной за ним турбины (с учетом стоек, обтекателей, различной формы обводов МПД, схем подвода газа к турбине, включая несимметричные боковые).
Разработка метода улучшения газодинамических характеристик МПД с расположенной за ним турбиной (за счет придания коноидальной формы обводам МПД, подбора углов установки стоек и обтекателей).
Разработка метода улучшения газодинамических характеристик турбин при несимметричном боковом подводе газа (за счет применения СА с разными по окружности конструктивными углами входа), экспериментальное выявление наиболее эффективной схемы несимметричного бокового подвода газа к турбине.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использованы методы 3D CAD/CAE - численного моделирования, основанные на решении ос-редненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса, замыкаемых SST моделью турбулентности Ментера, методы теории планирования эксперимента (ТПЭ), методы экспериментального исследования параметров течения в каналах.
Достоверность и обоснованность результатов исследований подтверждается:
применением основополагающих законов термогазодинамики лопаточных машин и диффузорных каналов, применением сертифицированных средств измерений, прошедших поверку и калибровку;
совпадением результатов численных экспериментов с опытными данными и результатами других исследователей.
На защиту выносятся:
Метод оптимизации геометрии проточной части турбин на основе численных экспериментов и ТПЭ, полученная математическая модель влияния геометрических параметров лопаток на КПД турбины.
Метод улучшения газодинамических характеристик МПД с расположенной за ним турбиной за счет придания коноидальной формы обводам МПД, подбора углов установки стоек и обтекателей.
Метод улучшения газодинамических характеристик турбин с несимметричным боковым подводом газа за счет использования лопаток СА с разными по окружности конструктивными углами входа; экспериментально выявленная наиболее эффективная схема бокового подвода газа к турбине.
4. Экспериментальные газодинамические характеристики МПД с расположенным на выходе СА турбины, турбины с несимметричным боковым подводом газа и с различными схемами подвода газа к турбине.
Научная новизна заключается в следующем:
Впервые разработан метод оптимизации геометрии ступеней турбин на основе численных экспериментов и ТПЭ (греко-латинских квадратов), позволивший получить математическую модель влияния геометрических параметров РК на КПД ступени, данная модель позволяет оценивать КПД при различном сочетании параметров и находить их оптимальные значения.
Предложен новый метод улучшения характеристик МПД с СА турбины за счет придания коноидальной формы обводам МПД, позволяющий минимизировать меридиональные углы течения, устранить отрывы потока в корне турбины и снизить потери энергии.
Впервые разработан и экспериментально подтвержден метод улучшения газодинамических характеристик турбин с несимметричным боковым подводом газа, заключающийся в выполнении первого СА турбины с несколькими группами лопаток, имеющими разные по окружности конструктивные углы входа.
Впервые получены экспериментальные газодинамические характеристики исследованных вариантов элементов проточной части турбин, характерных для ТРДД, ГТУ с конвертированными авиационными ГТД и перспективных ГТД: МПД с СА турбины, турбины с несимметричным боковым подводом газа, различных схем бокового подвода газа к турбине.
Практическую ценность имеют следующие полученные результаты:
Разработанный метод оптимизации позволяет эффективно, с широким набором геометрических параметров оптимизировать ступени турбин, используя ТПЭ и современные программные комплексы трехмерного моделирования. В рассмотренном конкретном примере КПД ступени турбины повышен на 1,0%.
Разработанный метод придания обводам МПД коноидальной формы позволяет улучшить газодинамические характеристики МПД с расположенным за ним СА турбины, повысить эффективность СА и системы "переходной диффузор - СА турбины" при проектировании и доводке ТРДД и ГТУ с конвертированными авиационными ГТД.
Разработанный метод использования СА с различными по окружности углами на входе, результаты экспериментального исследования различных схем несимметричного подвода газа к турбине позволяют оптимизировать схемы подвода газа и геометрию проточной части турбин в двигателях и энергоустановках нетрадиционных схем.
4. Экспериментально полученные газодинамические характеристики элементов турбин с МПД используются при разработке методов проектирования ГТД, верификации программ расчетов трехмерных течений в ОАО НПП «Мотор» и в НПП «Машпроект».
Реализация результатов. Сформулированные по результатам диссертационной работы рекомендации применяются при проектировании и доводке ступеней турбин, межтурбинных переходных диффузоров и турбин с боковым подводом газа в ОАО «НПП «Мотор» (Уфа) и в НПП «Машпроект» (Николаев).
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и обсуждались на научно-технических конференциях «Современное предприятие в условиях рыночных отношений» (Николаев, 2003); Международной научно-практической конференции «Авиасвит-2004» (Киев, 2004); V Международной научно-технической конференции «Интегрированные компьютерные технологии в машиностроении» (Харьков, 2005); научно-технической конференции «Внедрение новых технологий и интенсификация развития производства» (Николаев, 2005); XI Международном конгрессе авиадвигателестроителей (Рыбачье, Крым, 2006); XII Международном конгрессе авиадвигателестроителей (Рыбачье, Крым, 2007); XIII Международном конгрессе авиадвигателестроителей (Рыбачье, Крым, 2008); НТС в ОАО «НПП «Мотор» (Уфа, 2009).
Публикации. Основные материалы диссертации отражены в 15 публикациях, в том числе 5 в рекомендованных ВАК изданиях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 177 страницах и включает в себя 79 иллюстраций и 13 таблиц. Работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка использованных источников из 98 наименований.
