Введение к работе
Актуальность работы. Проектирование авиационных ГТД и их узлов базируется на комплексе исследований в аэро- и термодинамике, материаловедении, механике жидкости и газа и других науках.
В настоящее время ведутся работы над созданием двигателей нового поколения, которые должны обладать рядом характеристик, придающих качественно новый уровень летательному аппарату. Среди основных направлений развития компрессоров следует отметить сокращение числа ступеней при одновременном повышении суммарной степени повышения давления и адиабатического КПД. Это может быть достигнуто за счет значительного повышения аэродинамической нагруженности и адиабатического КПД отдельных ступеней, а также применения новых материалов и технологий изготовления, совершенствования методов конструирования и оценки напряженно-деформированного состояния узла. Ведутся работы по снижению акустического шума ступеней компрессора. В перспективных схемах ГТД проявляется значительный интерес к центробежным компрессорам.
Для обеспечения широкого спектра требований к двигателям новых поколений в условиях сокращения затрат (времени и материальных ресурсов) и повышения качества продукции на международном рынке происходит коренной пересмотр методологии проектирования с внедрением информационных технологий в рамках CALS - компьютерной поддержки жизненного цикла продукции, реализации системного и объектного подходов, широкого использования математического моделирования. За рубежом разрабатываются гибкие многодисциплинарные многоуровневые программные комплексы, обеспечивающие информационную поддержку жизненного цикла изделия. Для проектирования компрессоров используются программные комплексы, обеспечивающие интеграцию математических моделей различного уровня, размерности и функционального назначения, охватывающие весь цикл проектирования компрессора от технического задания до выпуска конструкторской и технологической документации.
В настоящее время значительный интерес проявляется к трёхмерным нестационарным математическим моделям турбулентных течений, которые позволяют с наибольшей достоверностью описать рабочий процесс в компрессоре. Однако данная математическая модель требует значительных затрат машинного времени и материальных ресурсов. Таким образом, для информационной поддержки ранних стадий проектирования необходима разработка многоуровневого гибкого программного комплекса, базирующегося на одномерных и двухмерных моделях рабочего процесса, что позволит значительно сократить трудоёмкость последующих стадий проектирования, а также экспериментальной доводки изделия, таким образом, тема диссертационной работы является актуальной.
Цель и задачи исследования
Целью работы является разработка методик и компьютеризированной технологии многоуровневого газодинамического моделирования компрессоров для решения прямых и обратных задач при проектировании и доводке.
Исходя из цели работы, для её реализации были определены следующие задачи исследований:
Разработка методик одномерного моделирования компрессоров авиационных ГТД, позволяющих решать как проектировочные задачи (обратные задачи по выбору геометрии осевых и центробежных компрессоров под заданные параметры потока), так и прогнозировать характеристики осевых компрессоров в широком диапазоне частот вращения ротора (прямая задача).
Создание методик двухмерного моделирования осевых компрессоров авиационных ГТД, позволяющих рассчитывать радиальное распределение параметров в лопаточных венцах и прогнозировать характеристики осевого компрессора (прямая задача) в широком диапазоне частот вращения ротора с последующим решением обратной задачи по корректировке исходных геометрических параметров лопаточных венцов.
Формирование методики, позволяющей проводить расчёт границы устойчивой работы компрессора в одномерной и двухмерной постановках с учетом влияния переменной геометрии (различные углы установки направляющих аппаратов (НА) и ВНА) и влияния технологических отклонений.
Реализация разработанных методик в системах моделирования COMPRESSOR и COMPRESSOR2D, позволяющих моделировать процессы в компрессорах различных схем (осевых и центробежных) современных и перспективных авиационных двигателей, решать проектно-доводочные задачи, оптимизировать распределение параметров по ступеням, режимы работы, учитывать влияние внешних условий и входного направляющего аппарата (ВНА) в одномерной и двухмерной постановке, что повышает достоверность аналитического этапа разработки конструкторской документации, сокращает временные затраты решения задач верификации.
Разработка методики интеграции разработанных систем с системами моделирования (СИМ DVIGw) авиационных двигателей и программными комплексами для численного трехмерного газодинамического моделирования (ANSYS CFX).
6. Экспериментальная проверка эффективности методик и систем моде
лирования COMPRESSOR и COMPRESSOR2D на примере конкретных ком
прессоров современных и перспективных авиационных двигателей, а также ис
пытательных стендов компрессоров. Верификация расчётных результатов и
выработка рекомендаций по применению разработанных методик и систем мо
делирования при проектировании компрессоров.
Научная новизна
Новыми научными результатами, впервые полученными в настоящей работе, являются разработанные методики и системы имитационного моделирования процессов в компрессорах авиационных газотурбинных двигателей (ГТД):
1. Методика расчёта границы устойчивой работы осевых ступеней, осевых многоступенчатых компрессоров в одномерной и двухмерной постановках, основанная на ограничении по критическому углу атаки, которая в отличие от существующих методик (использующих ограничение по максимальной
степени повышения давления, либо аэродинамической нагруженности венцов) позволяет повысить точность определения границы устойчивой работы.
Методика расчёта характеристик осевых компрессоров в одномерной постановке, которая на ранних стадиях проектирования (при ограниченном числе исходных данных - расчётные параметры на среднем радиусе), в отличие от существующих, не требует задания прототипа проектируемого узла и эмпирических поправочных коэффициентов, позволяет проводить расчёт транс- и сверхзвуковых ступеней в широком диапазоне частот вращения при числах Маха по окружной скорости до Миср = 1.27 (в отличие от метода Оль-штейна, ограниченного величиной Mucp = 0.8). Погрешность существующих методик по максимальному расходу и КПД составляет 2-2,5%, а погрешность разработанной методики по аналогичным параметрам 1,5-2%.
Методика поверочного расчёта осевых компрессоров в двухмерной постановке, которая позволяет определять радиальное распределение параметров за лопаточными венцами, а также характеристику компрессора по среднеинтегральным параметрам за венцами при различных методах осреднения неравномерного потока; при этом, в отличие от существующих методик, возможно разбиение потока на произвольное количество струек тока для учета конструктивных особенностей и характерных размеров лопаточных венцов и выявления локальных особенностей течения, а также использование индивидуальных эмпирических моделей углов атаки, отставания и потерь полного давления при разработке новых конструктивных решений.
Методики проектировочного расчёта по выбору геометрии осевых и центробежных компрессоров, которые в отличие от существующих позволяют решать широкий спектр проектировочных задач на ранних стадиях проектирования в автоматизированном режиме за счет задания условий моделирования.
Разработанные методики, позволяющие решать обратные и прямые задачи в одномерной и двухмерной постановках, реализованы в системах моделирования COMPRESSOR (свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ Роспатента РФ № 2009612688) и COMPRESSOR2D (свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ Роспатента РФ №2011611711).
Практическая ценность
Результаты исследований, разработанные методики и системы имитационного моделирования рабочего процесса компрессоров авиационных ГТД внедрены в промышленности - ОАО "НПП Мотор" и в учебный процесс ФГБОУ ВПО УГАТУ.
Разработанные методики и системы моделирования имеют практическую ценность, а именно позволяют:
моделировать рабочие процессы в компрессорах с диагностированием предпомпажных ситуаций для разработки систем предотвращения неустойчивой работы ГТД;
прогнозировать характеристики осевых многоступенчатых компрессоров в широком диапазоне частот вращения и входных параметров на начальных стадиях проектирования;
повысить эффективность проектирования (сократить время и затрачиваемые ресурсы) компрессоров.
Методы исследования. При выполнении работы использованы следующие методы и способы исследования:
теории рабочих процессов и лопаточных машин авиационных ГТД;
системный анализ и объектно-ориентированный подход при моделировании сложных процессов и объектов;
численные методы решения систем уравнений.
На защиту выносится:
Методики одномерного моделирования компрессоров авиационных ГТД, позволяющих решать как проектировочные задачи (обратные задачи по выбору геометрии осевых и центробежных компрессоров под заданные параметры потока), так и прогнозировать характеристики осевых компрессоров в широком диапазоне частот вращения ротора (прямая задача).
Методики двухмерного моделирования осевых компрессоров авиационных ГТД, позволяющих рассчитывать радиальное распределение параметров в лопаточных венцах и прогнозировать характеристики осевого компрессора (прямая задача) в широком диапазоне частот вращения ротора с последующим решением обратной задачи по корректировке исходных геометрических параметров лопаточных венцов.
Методика, позволяющая проводить расчёт границы устойчивой работы компрессоров в одномерной и двухмерной постановках с учетом влияния переменной геометрии (различные углы установки направляющих аппаратов (НА) и ВНА) и влияния технологических отклонений.
Системы моделирования COMPRESSOR и COMPRESSOR2D, позволяющие моделировать процессы в компрессорах различных схем (осевых и центробежных) современных и перспективных авиационных двигателей, решать проектно-доводочные задачи, оптимизировать распределение параметров по ступеням, режимы работы, учитывать влияние внешних условий и входного направляющего аппарата (ВНА) в одномерной и двухмерной постановке, что повышает достоверность аналитического этапа разработки конструкторской документации, сокращает временные затраты решения задач верификации.
Методика интеграции разработанных систем с системами моделирования (СИМ DVIGw) авиационных двигателей и программными комплексами для численного трехмерного моделирования (ANSYS CFX).
6. Результаты проверки эффективности разработанных методик и систем
моделирования COMPRESSOR и COMPRESSOR2D на примере конкретных
компрессоров современных и перспективных авиационных двигателей, а также
испытательных стендов. Результаты верификации расчётов и рекомендации по
применению разработанных методик и систем моделирования при проектиро
вании компрессора.
Достоверность результатов исследования.
Достоверность научных положений, результатов и выводов, содержащихся в диссертационной работе, основывается на:
проведении верификации математических моделей посредством сопоставления расчётных данных с экспериментальными, решении большого числа тестовых задач и введения необходимых корректировок;
корректном использовании фундаментальных уравнений теории рабочих процессов авиационных двигателей и теории лопаточных машин;
использовании признанных научных положений, апробированных методов и средств исследования, применении математического аппарата, отвечающего современному уровню.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Международной НТК "Проблемы и перспективы развития двигателестроения" (Самара, СГАУ, 2009, 2011); Международной заочной конференции в рамках I Форума молодых ученых Приволжского федерального округа (Уфа, 2009); НТК "Зимняя школа аспирантов" (УГАТУ-УМПО, Уфа, 2009-2011); Всероссийской НТК "Мавлютовские чтения" (УГАТУ, Уфа, 2008-2011); Международной НТК "Авиадвигатели XXI века" (Москва, ЦИАМ, 2010), Международном молодёжном форуме "Будущее авиации за молодой Россией" (Жуковский, МАКС, 2011).
Публикации. По результатам выполненных исследований и разработок опубликовано 44 работы, в том числе 6 публикаций в центральных рецензируемых журналах, включенных в перечень ВАК. Получены свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ Роспатента РФ на СИМ COMPRESSOR (свидетельство № 2009612688) и COMPRESSOR2D (свидетельство №2011611711).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из четырёх глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Содержит 242 страницы машинописного текста, включающего 175 рисунков, 20 таблиц, библиографический список из 103 наименований, 1 приложение.
