Аэрокосмическая техника высокие технологии и инновации – 2014

а б

Рис. 3. Результаты гидродинамического расчета:

а– векторы скоростей; б – распределение полного давления

Врамках вычислительных экспериментов был проведен модальный анализ, в ходе которого определены формы и частоты собственных колебаний при частоте вращения ротора n = 0 и n = 4500 об/мин., нагруженногопотокомжидкости. Результатыпредставленывтаблице.

Результаты модального анализа

Выводы

1.Разработана методика расчета вибраций лопаток рабочего колеса центробежного насоса, нагруженного динамическим потоком жидкости в связанной однонаправленной постановке.

2.Определены формы и частоты собственных колебаний при частоте вращения ротора n = 0 и n = 4500 об/мин, нагруженного динамическим потоком жидкости.

131

3. В ходе проведения вычислительного эксперимента определены напряжения и перемещения лопатки рабочего колеса.

Список литературы

1.Писарев П.В., Модорский В.Я. Численное моделирование ударно-волнового нагружения соплового аппарата на многопроцессорном вычислительном комплексе// Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации – 2009: материалы XII Всерос.

науч.-техн. конф. – Пермь, 2009. – С. 357–359.

2.Писарев П.В., Модорский В.Я. Численный анализ динамического напряженно-деформированного состояния конечномерного цилиндра, нагруженного гидродинамическим потоком жидкости // Механика микронеоднородных материалов и разрушение: тез. докл. VI Всерос. конф. Екатеринбург, 24–28 мая 2010. – Екатерин-

бург, 2010. – С. 41–41.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УВЕЛИЧЕНИЯ ОСЕВОГО ЗАЗОРА В СВЕРХЗВУКОВОЙ ВЫСОКОНАПОРНОЙ СТУПЕНИ

НА ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ МАЛОСТУПЕНЧАТОГО КОМПРЕССОРА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

А.И. Плотников

ОАО «Авиадвигатель», Пермь, Россия e-mail: plotnikov-ai@avid.ru

Рассмотрены результаты расчетного исследования характеристик сверхзвуковой высоконапорной широкохордной ступени в составе осевого малоступенчатого компрессора с использованием программного комплекса ANSYS CFX 14.5. Компрессор современного двухконтурного двигателя – это сложный, соответствующий множеству противоречивых требований узел, поэтому поиски решений по повышению эффективности и внедрение мероприятий по совершенствованию конструкции и аэродинамики

132

компрессора являются непрерывными на всем этапе его создания. Неустойчивая работа компрессора является одним из наиболее опасных дефектов газотурбинных двигателей, поэтому особое внимание в данной работе уделено анализу запасов газодинамической устойчивости. Проведен анализ влияния увеличения осевого зазора междурабочим колесом и направляющим аппаратом сверхзвуковой ступени на параметры исследуемого компрессора. По итогамработырасчетныйзапасустойчивости увеличен на3 %.

На сегодняшний день в компрессоростроении принята концепция применения высоконагруженных первых ступеней компрессоров высокого давления (рис. 1). Такая схема предполагает наибольшую нагрузку на первой ступени и меньшую нагрузку на последующих ступенях. Однако опыта создания компрессоров с такими нагруженными ступенями в России и за рубежом явно недостаточно. Поэтому крайне важным становится анализ результатов численного моделирования и определение резервов по улучшению параметров компрессора [1,2].

Одной из наиболее сложных и важных проблем проектирования авиационных двигателей и стационарных газотурбинных установок является обеспечение устойчивой безпомпажной работы осевых компрессоров, входящих в состав этих двигателей.

На работу ступени оказывают влияние осевые зазоры между ее неподвижными и вращающимися венцами. При очень малых значениях осевых зазоров возникает неустойчи-

вая работа компрессора, и появляются опасные вибрации лопаток [3]. Проблема взаимодействия неподвижных и вращающихся венцов компрессора особенно актуальна при исследовании сверхзвуковых высоконапорных ступеней компрессора. В данной работе

133

проведено исследование влияния увеличения осевого зазора между рабочим колесом и направляющим аппаратом сверхзвуковой ступени на параметры исследуемого компрессора.

Характерной особенностью современных исследований является широкое применение трехмерных численных расчетных методов (CFD) при расчете характеристик осевого компрессора.

Газодинамические параметры были рассчитаны в трехмерной вязкой постановке с помощью коммерческого программного комплекса ANSYS CFX V14.5. Моделирование течения проводилось в стационарной постановке, воздух рассматривался как совершенный газ. Поверхности стенок проточной части и лопаток были приняты шероховатыми [4, 5].

Моделирование турбулентности осуществлялось с помощью дифференциальной модели k-ω (степень турбулентности на входе ε = 5 %). Объемы сеток на один венец – от 300 тыс. до 700 тыс. ячеек. Радиальные зазоры венцов составили 0,4 мм [6].

Критериями установления течения в проточной части служат: удовлетворительное совпадение расходов воздуха на входе и выходе модели (критерием сходимости является достижения величиной среднеквадратичной невязки уровня 10–6), установление основных параметров (π·к и КПД). За граничную точку потери ГДУ принимается точка с установившимся течением, за которой следует режим, где образуется обратный ток с падением расхода воздуха по входу и выходу.

Расчет компрессора проведен для расчетного режима двигателя (Н = 11 км, М = 0,8) по приведенным к стандартным атмосферным условиям на входе параметрам.

Для анализа влияния перемещения рабочего колеса на газодинамические характеристики рассмотрено две конфигурации компрессора (рис. 2, а) исходный вариант компрессора и (рис. 2, б) вариант компрессора со сдвигом рабочего колеса первой ступени на 10 мм вперед по оси двигателя в осевом направлении.

Результатычисленного моделированияпредставлены нарис. 2.

134

Рис. 2. Напорные характеристики компрессора

По итогам расчета выявлено, что перемещение рабочего высоконапорного колеса вперед по оси двигателя в осевом направлении в сравнении с исходным вариантом не привело к изменению приведенного расхода КВД, достигнутого уровня степени повышения полного давления и эффективности. Необходимо отметить, что увеличение осевого зазора в высоконапорной ступени приводит к заметному улучшению границы устойчивости (на 3 % за счет меньшего накопления кромочного следа на периферийном сечении). Можно предположить, что это вызвано снижением энтропии в рабочем колесе на 2–3 %, т.е. за счет снижения степени неупорядоченности системы. Также необходимо отметить, что непосредственно в самом рабочем колесе при увеличении осевого зазора наблюдается снижение КПД на 0,2 %, а сохранение уровня КПД полноразмерного компрессора достигается за счет пересогласования ступеней.

Необходимо отметить, что согласно проведенным нестационарным расчетам и накопленному опыту проектирования в ОАО «Авиадвигатель» также ожидается снижение уровня вибронапряжений для лопаток направляющего аппаратапервой ступени.

135

Список литературы

1.Иноземцев А.А., Нихамкин М.А., Сандрацкий В.Л. Основы конструирования авиационных двигателей; ОАО «Авиадвигатель». –

Пермь, 2007. – 1100 с.

2.Основы технологии созданиягазотурбинных двигателей длямагистральных самолетов / А.Г. Братухин, Ю.Е. Решетников, А.А. Иноземцев [и др.]. – М.: Авиатехинформ, 1999. – 553 с.

3.Иноземцев А.А. О программе создания авиационных газотурбинных двигателей // Вестн. Перм. науч. центра УрО РАН. – 2010. – № 4. – С. 28–46.

4.ШлихтингГ. Теорияпограничногослоя. – М.: Наука, 1974. –712 с.

5.Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. – М.: Машиностроение, 1975. – 559 с.

6.ANSYS CFX-Pre User's Guide. Release 13.0. ANSYS, Inc. November 2010.

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА РАСЧЕТА ДВУХКОНТУРНОЙ ТРИГЕНЕРАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ

Д.Д. Русаков

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия

e-mail: SATURNrussia@rambler.ru

Предложен алгоритм и выполнен тестовый расчет двухконтурной тригенерационной установки, созданной на базе двухконтурного турбореактивного двигателя. Подобные установки позволяет одновременно обеспечивать электрическую энергию, холод и теплоту для потребителя. Термодинамический анализ установки выполняется методом поэлементного расчета основных узлов установки, которые описываются соответствующими математическими моделями 1-го уровня. Для тестирования алгоритма выполнен расчет двухконтурной тригенерационной установки, созданной на базе двигателя Д-30 Пермского ОАО «Авиадвигатель». В работе показано, что предложенный алгоритм позволяет провести оценку параметров двухконтурной тригенерационной газотур-

136

бинной установки и выбрать наиболее рациональное конверсионное использование конкретных моделей двухконтурных турбореактивныхдвигателей.

Развитие энергетики РФ напрямую связано с конверсионным использованием авиационных двигателей. Получившие наибольшее распространение двухконтурные турбореактивные двигатели (ТРДД), как правило, используют для создания энергетических установок, производящих электроэнергию и теплоту в когенерационном цикле, что требует отказа от второго контура и введения свободной силовой турбины (СТ). При этом существенным образом меняется как термодинамический цикл, так исиловая схема двигателя.

Однако зачастую потребитель, особенно автономный, нуждается и в производстве холода, поэтому наиболее подходящим решением для этого является создание тригенерационной установки.

В работе [1] предложена схема двухконтурной тригенерационной газотурбинной установки (ДТГТУ), созданной на базе комплектного ТРДД. В данной работе предлагается алгоритм для расчета подобных установок и результаты тестового расчета.

Двухконтурная тригенерационная газотурбинная установка

Для реализации предложенной ДТГТУ используется схема, представленная на рис. 1. ДТГТУ работает следующим образом: воздух из атмосферы входит в компрессор низкого давления 1 (КНД) и сжимается в нем. В точке 2 происходит разделение потока на два контура: внешний – дляполученияхолода, внутренний– газогенератора.

Воздух второго контура охлаждается в воздухоохладителе 8 и регенераторе9, послечегопоступаетвтурбодетандер10, гдееготемпература снижается до необходимого уровня. В теплообменнике 11 воздух, отдав холод потребителю, поступает в холодную часть регенератора 9, гдеподогреваетсяидалеевыбрасываетсяватмосферу.

Во внутреннем контуре воздух сжимается в компрессоре высокого давления 2 (КВД) и поступает вместе с топливом в камеру сгорания 3, после чего, совершив работу в турбинах высокого 4 (ТВД)

137

и низкого (ТНД) 5 давления, СТ 6, приводящей во вращение электрогенератор 7. Часть воздуха, отобранная из второго контура, идет на охлаждение газогенератора и, смешавшись с продуктами сгорания, вышедшими из ТНД, поступает на вход силовой турбины. Выйдя из силовой турбины, продукты сгорания отдают остаточную теплоту в котле-утилизаторе и выбрасываются в атмосферу.

Рис. 1. Принципиальная схема ДТГТУ: 1 – КНД; 2 – КВД; 3 – камера сгорания; 4 – ТВД; 5 – ТНД; 6 – СТ; 7 – электрогенератор (или другое оборудование); 8 – воздухоохладитель; 9 – регенератор; 10 – турбодетандер; 11 – потребитель холода

Алгоритм расчета

При расчете установки использовался метод поузлового термодинамического расчета параметров. В каждой точке (см. рис. 1) определялись температура, давление, энтропия, энтальпия воздуха или продуктов сгорания.

Для начала расчета необходимы следующие исходные данные:

давление и температура при входе в КНД;

степень повышения давления в КНД и КВД;

138

расход воздуха при входе в КНД;

степень двухконтурности;

температура перед ТВД;

состав топлива;

давление за силовой турбиной;

коэффициенты полезного действия КНД, КВД, ТВД, ТНД, СТ, ТД;

требуемая температура за турбодетандером;

подогрев рабочего тела в потребителе холода.

Узлы описываются соответствующими математическими моделями 1-го уровня [3] (узел определяется как «черный ящик»). Например, КНД рассчитывается следующим образом.

По известному давлению, которое необходимо создать в точке 2, и равенству энтропий при адиабатическом сжатии (равняется энтропии в точке 1) определяем адиабатическую температуру, плотность, энтальпию за КНД. Реальная работа КНД равняется отношению разности адиабатной энтальпии при выходе и входе в КНД к его КПД. Реальную энтальпию при выходе определяем как сумму энтальпии перед КНД и работы КНД. Далее определяем реальную температуру и энтропию в точке 2.

При расчете холодильного контура мы задаемся температурой за турбодетандером и подогревом рабочего тела в потребителе холода. Степень понижения давления в турбодетандере рассчитывается по степени повышения давления в КНД и потерям в тракте. Далее вычисляются параметры рабочего тела перед турбодетандером, затем исходя из уравнения теплового баланса рассчитываются значения в остальных точках.

Результаты тестового расчета

В качестве тестового термодинамического расчета был выполнена оценка параметров ДТГТУ, создаваемой на базе ТРДД Д-30. Для расчета использованы основные характеристики ТРДД Д-30 третьей серии.

139

В результате тестового расчета были получены следующие данные:

Мощность КНД…………………………………. 13,7 МВт Мощность КВД…………………………………. 21,6 МВт Мощность на валу СТ…………………………... 14,4 МВт Мощность на валу ТД…………………………... 3,5 МВт Тепловая мощность регенератора……………... 1,5 МВт Тепловая мощность, отведенная в возд. охл….. 3,6 МВт Холодопризводительность………………….….. 0,88 МВт

Разработанный алгоритм термодинамического анализа ДТГТУ позволяет оценить ее основные параметры.

В результате анализа могут быть определены рациональные области использования ДТГТУ, создаваемых на базе ТРДД различных моделей.

Так, ДТГТУ, созданная на базе ТРДД Д-30, позволяет получить около 14 МВт электрической мощности и 0,88 МВт холода (при температуре –15 С), при этом дополнительно турбодетандер может вырабатывать еще около 3 МВт электроэнергии.

Работа выполнена при финансовом содействии Министерства образования Российской Федерации в соответствии с государственным заданием №2014/104, код проекта 2092.

Список литературы

1.Исследование возможности конверсии двухконтурных турбореактивных двигателей в тригенерационные стационарные энергетические установки / А.А. Иноземцев, А.Н. Арбеков, А.Ю. Вараксин, Д.Д. Русаков // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. – 2014. – № 38.

2.Михальцев В.Е., Моляков В.Д. Расчет цикла газотурбинной установки: учеб. пособие – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000 – 32с.

140