Введение к работе
Актуальность работы. В последние і0-і5 лат во всем мира происходит очевидный рост интереса к биротативным турбинам без промежуточного соплового аппарата, т.е. даугвальным турбинам, включающим одноступенчатую турбину высокого давления, состоящую из соплового аппарата <СА) и рабочего колеса (РК), (в дальнейшем называемую і-ой ступенью турбины) и одноступенчатую турбину низкого давления или свободную турбину, состоящую из одного только рабочего колеса со встречным нэправлэниэм вращения (называемую далее 2-ой ступенью турбины), см. рис. la и б. Исследованиями в этой области активно занимаются практически все ведущиэ фирмы -разработчики авиационных ГТД, что связано с ростом уровня параметров авиационных двигателей и поиском новых путей товышения их экономичности, снимания веса и габаритов и уменьшения даны двигателей. Одной из перспективных схем такого двигателя является показанная на рис. їв схема ТРДД с гак называемыми приданными ступенями компрессора низкого їавления. Кроме того, рассматриваются такав и возможности [спользоваяия биротативных турбин без промежуточного юплового аппарата в энергетических ГТУ нового поколения.
Основными прекмущэствами биротативных турбин (БТ) без ромежуточного соплового аппарата (САпр) перед турбинами
a)
CA.
/pK,\.:Ai« Гп
*)
CAj /РКД /PK^
Рис. і. Схемы турбин: традиционная схема (а); биротативн; турбина без промежуточного соплового аппарата (б и турбокомпрессорная схема ТРДЦ с биротативной турбиной без промежуточного соплового аппарата (і
традиционных схем (т.е. такими турбинами, каждая ступень которых включает СА) является увеличение удельной работы на единицу расхода газа в связи с большим, изменением углового момента при большей относительной окружной скорости; уменьшение веса и рост КДЦ при отсутствии САпр, так как исключаются соответствующие потери давления, потери на перетекание и затраты на его охлаждение; возможность повышения общего КОД турбины при уменьшении доли второго РК в обшрй работе, развиваемой турбиной, что как правило имеет место в высоконапорных ГТД; снишкиз или дзш уравновешивание гироскопического момента, действующего на летательный аппарат через опоры двигателя.
Однако, все указанные преимущества БТ без САпр относятся к расчетному режиму их работы, особенности же характеристик таких турбин оставались неисследованными. Необходимость расчетно-теоретического и экспериментального исследования нерасчетных режимов работы БТ без САпр ясна из того, что, например, упомянутый выше выигрыш в КДЦ на расчетном режиме может нейтрализоваться худшими КДЦ на пониженных режимах или, может быть, даже ограничить область реальных режимов работы турбины. А так как предлагаемые варианты применения БТ без САпр включают и многорежимные двигатели, то вопросы их работы на нерасчетных режимах являются актуальными и имеют практическое значение.
Цель работы состоит' в расчетно-теорэтическом и экспериментальном исследовании характеристик двухступенчатой 51 без САпр для выявления их особенностей в сравнении с турбинами традиционных схем.
Основные задачи:
разработать методику расчета характеристик БТ без САпр с учетом особенностей рабочего процесса таких турбин;
разработать на базе этой методики компьютерную программу для расчета характеристик как БТ без САпр, так и турбин традиционных схем;
провести экспериментальное исследование особенностей характеристик БТ без САпр на стенда модельной биротативноя турбины;
- провести расчетный анализ характеристик БТ без САпр в
сравнении с характеристиками турбин традиционых схем (БТ с
САпр и турбины с однонаправленным вращением роторов) на
примерз турбины для перспективного високотемпературного ТРДД.
Научную новизну диссертационной работы представляют:
- разработанная методика расчета характеристик БТ без САпр;
экспериментально подтвержденное наличиэ у БТ без САпр особых режимов работы 2-го РК - режимов нулевых и отрицательных пусковых моментов на 2-ом РК, возникающих при определенных режимах работы 1-ой ступени БТ;
экспериментально подтвержденное сильное влияние режима работы 1-ой ступени БТ на параметры 2-го РК и возникающиэ в связи с этим ограничения поля возможных режимов работы БТ без САпр;
результаты расчетного анализа характеристик БТ без САпр в сравнении с характеристиками турбин, традиционных схем, показавшие более высокие КОД БТ без САпр при работа на пониженных режимах, однако более быстрое уменьшение работы такой турбины в сравнении с турбинами традиционных схем вследствие резкого падения приведенных оборотов ее 2-ой
ступени.
Достоверность полученных результатов подтверждается
согласованностью расчетных и экспериментальных данных, в том числе тестированием разработанной методики и программы расчета характеристик на примерз экспериментальных характеристик натурной турбины двигателя АМ-5, методически обоснованным планом поставленных опытов на. стенде модельной БІ, а также высокой степенью надежности автоматизированной системы измерения, сбора и обработки экспериментальной информации.
Практическая ценность заключается в том, что на основе разработанной математической модели были созданы алгоритм и прикладная программа для расчета характеристик как БТ без САпр, так и турбин традиционных схем, необходимые для проведения предварительной оценки характеристик двигателей различного назначения.
Личный вклад автора заключается в разработке методики расчета характеристик БІ без САпр и программы расчета характеристик разных типов турбин; проведении расчетов и анализе результатов расчетного исследования; участии в создании экспериментального стенда модельной БТ, планировании, подготовке и проведении экспериментальных исследований; обработка и анализе опытных данных; разработке рекомендаций, следующих из анализа результатов работы.
Реализация. №зультаты проведенного исследования
использовались при выполнении комплексной
научно-исследовзтельагоа темы кафедры 2Сд по созданию теории и методов подбора параметров перспективного ТРДЦ о предельным значением температуры газа в камере сгорания.
Доложенные на ведуцэм предприятии материалы проведанного исследования могут использоваться для предварительной оценки характеристик двигателей перспективных схем.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на:
- мевдународной студенческой научной конференции "Памяти
пионеров космонавтики и астронавтики", г.Москва, 1990 г.;
- хххш Всесоюзной научно-технической сессии по проблемам
газовых турбин, г.Николаев, 1990 г.;
- НГС НПО им.В.Я.Климова, г. С.-Петербург, і99і г.;
- международной конференции "Авиация - пути развития",
г.Москва, 1993 г.;
- научно-техническом совете кафедры 2Q. МАИ, г.Москва, 1993г.
Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 2-х статьях и 3-х научно-технических отчетах по темам, выполняемым в проблемной лаборатории каф. 20і МАИ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа
изложена на 222 страницах,, включает ' 144 страницы машинописного текста, иллюстрирована 72 рисунками, 6 таблицами и состоит из введения, четырех глав, выводов и списка использованной литературы из 145 наименований.
