Введение к работе
Современный этап развития авиационно-космической техники характеризуется постоянным увеличением интенсивности полётов. При этом в условиях растущей стоимости невозобновляемых энергоносителей требование высокой энергетической эффективности становится обязательным не только для основной силовой установки летательного аппарата, но и для всех его систем.
В авиационной и космической технике в качестве вспомогательных и энергетических установок широко применяются маломощные (NTn = 0,01...10 кВт) турбопри-воды в качестве двигателей электрогенераторов, гироскопов, турбонасосных агрегатов, коммутирующих устройств. В силу малых размеров такие двигатели называются малоразмерными турбоприводами или микротурбинными приводами (МТП). Турбо-привод представляет собой совокупность собственно турбины, а также входного и выходного устройств. В ряде конструкций при высоких степенях понижения давления 7Гтп=1,5...20 и относительно малых расходах рабочего тела Gb=0,5...100 г/с используются центростремительные МТП (ЦСМТП)
Мощностной КПД МТП на оптимальном режиме достигает только 0,65...0,72, а при малых значениях параметра нагруженности YTn (при пониженных частотах вращения) снижается до 0,15...0,25. Это связано с относительно большими профильными, концевыми потерями и потерями с выходной скоростью. Причём потери с выходной скоростью являются наибольшими по отношению к другим видам потерь. Кроме того, на неоптимальных режимах при пониженных значениях параметра нагруженности на выходе из РК возникает интенсивная закрутка потока, которая приводит к повышению противодавления за турбиной. При этом степень понижения давления турбины становится меньше степени понижения давления турбопривода (7іт<7Пп)5 чт0 вызывает уменьшение его КПД.
Актуальность работы обусловлена необходимостью повышения энергетической эффективности МТП во всем диапазоне их эксплуатационных режимов работы.
Целью работы является повышение энергетической эффективности ЦСМТП при пониженных значениях параметра нагруженности YTn = 0...0,25 за счёт газодинамического усовершенствования проточной части их выходных устройств.
Объектом исследования являются затурбинный вихрь в выходном устройстве и протекание характеристик центростремительного малоразмерного турбопривода.
Предметом исследования является выходное устройство центростремительного малоразмерного турбопривода.
В соответствии с поставленной целью были определены следующие задачи исследования.
Разработка автоматизированного стенда, методик проведения эксперимента и обработки результатов испытаний ЦСМТП.
Экспериментальное определение характеристик ЦСМТП с типовыми ВУ.
Создание численной параметрической модели рабочего процесса ЦСМТП.
Проведение расчётных исследований по определению рациональных формы и геометрических параметров ВУ ЦСМТП.
Разработка метода проектирования и расчётной доводки ВУ в составе ЦСМТП.
Методы исследования. Для решения поставленных задач были использованы расчётные и экспериментальные методы. В качестве расчётных - использовались методы расчёта и проектирования турбомашин и метод вычислительной газовой динамики, реализованный в программных комплексах FlowVision, Ansys Fluent и CFX.
Научной новизной являются следующие результаты диссертационной работы.
Методика создания численных моделей потока ЦСМТП, отличающаяся модульной параметрической схемой формирования моделей и учётом трёхмерной структуры потока в проточной части центростремительных микротурбин и ВУ.
Впервые разработанная методика расчётного определения характеристик ЦСМТП на базе численных трёхмерных моделей потока в его проточной части.
Метод обработки результатов экспериментальных исследований ЦСМТП, отличающийся методикой автоматизированного расчёта погрешностей параметров и построением регрессионных моделей характеристик с их оценкой на адекватность и статистическую значимость.
Метод проектирования и расчётной доводки ВУ в составе ЦСМТП, отличающийся рекомендациями по выбору рациональных формы и геометрических параметров ВУ.
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью применяемых физических моделей течения газа и используемых допущений при составлении расчётных моделей потока, а также совпадением результатов расчётных исследований с экспериментальными данными.
Практическая ценность. Разработанная методика создания моделей потока в ЦСМТП позволяет получать расчётным путём данные о рабочем процессе, которые отличаются от опытных данных в основном на величину, не превышающую погрешность эксперимента. Использование этой методики позволяет проводить расчётные исследования, направленные на повышение энергетической эффективности ЦСМТП, выбирать на этапе проектирования тип и форму ВУ, обеспечивающие наибольшую эффективность турбоприводов. В целом полученные результаты направлены на повышение экономичности существующих ЦСМТП за счёт газодинамического усовершенствования проточной части ВУ, а также на создание научно-методического задела для проектирования ЦСМТП. Разработанные методики формирования моделей потока турбомашин и расчётного определения их характеристик были использованы при выполнении хоздоговорных работ с ОАО «Кузнецов» и ОАО «Пензадизельмаш».
Апробация результатов осуществлялась на следующих конференциях: всероссийских молодёжных научных конференциях с международным участием «IX Королёвские чтения», «X Королёвские чтения» (г. Самара, 2007 г., 2009 г.); всероссийской молодёжной научной конференции «Мавлютовские чтения» (г. Уфа, 2007 г.); международной молодежной конференции «XXXIV Гагаринские чтения» (г. Москва,
г.); всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии - НМТ-2008» (г. Москва, 2008 г.); XII международной научной конференции «Решетневские чтения» (г. Красноярск, 2008 г.); международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (г. Самара,
г., 2011 г.); VIII всероссийском молодежном Самарском конкурсе-конференции научных работ по оптике и лазерной физике (г. Самара, 2010 г.).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в двадцати печатных работах, в том числе шести статьях в научных журналах из перечня ВАК [1-6].
Реализация. Результаты диссертационной работы и программное обеспечение, созданное автором, внедрены в практику проведения проектных работ Научно-образовательного центра газодинамических исследований и учебный процесс СГАУ.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, заключения, списка литературы из 71 наименования и трёх приложений. Общий объём диссертации составляет 162 страницы, 68 рисунков и 24 таблицы.
