Введение к работе
Актуальность работы
В настоящее время в области создания и производства газотурбинных двигателей существует жесткая конкуренция между ведущими двигателестроительными фирмами во всем мире. Можно отметить две ключевые проблемы, успешное решение которых позволяет обеспечить необходимый объем заказов для дальнейшего существования фирмы и её развития: повышение конкурентноспособности разрабатываемых двигателей и соблюдение (желательно с существенным запасом) постоянно ужесточающихся международных норм по их экологическим характеристикам. В направлении повышения конкурентноспособности перед разработчиками и производителями авиационных и наземных газотурбинных двигателей ставятся довольно противоречивые требования: повышение надежности, повышение экономичности, увеличение ресурса работы, снижение массы, снижение себестоимости их производства. В рамках соблюдения экологических характеристик постоянно исследуются возможности дальнейшего снижения уровня шума двигателей и уменьшения выбросов вредных веществ, образующихся при сгорании топлива. С целью повышения точности расчетного анализа начинают переходить к моделированию многодисциплинарных процессов (multi-physics). Об этом свидетельствуют все последние научные конференции по двигателестроению. Современное развитие технологий проектирования достигло такого уровня, что дальнейшее их совершенствование невозможно без всестороннего исследования процессов, протекающих при работе газотурбинных двигателей. Такие исследования требуют применения последних научно-технических достижений в области методов численного анализа. Таким образом обязательной составляющей успешного решения отмеченных выше задач является применение в процессе проектирования методов численного анализа с учетом моделирования трехмерных и нестационарных явлений. Не менее важной является также задача постоянного совершенствования расчетных методов, что позволяет сохранить высокий научный уровень применяемых математических моделей.
Следует также отметить стратегический характер задачи повышения надежности и конкурентноспособности отечественных авиационных двигателей. Успешное решение данной задачи является важным фактором в развитии авиационного направления страны в целом.
Цель работы
Целью настоящей работы являлась разработка методологии расчетного анализа, позволяющая значительно повысить уровень численного моделирования рассматриваемых в работе явлений, а именно:
- динамического нагружения лопаток турбомашин при статор-ротор
взаимодействии;
- теплового состояния охлаждаемых лопаток турбин с учетом трехмерных
и нестационарных процессов; применение сопряженной (газ - твердое тело)
постановки;
генерации и распространения акустических возмущений от вентиляторной ступени и реактивного сопла.
Таким образом в работе исследуются эффекты, возникающие при решении многодисциплинарных задач в области авиационного двигателестроения. В частности исследуются задачи по генерации акустических пульсаций турбулентным потоком, по взаимодействию этих пульсаций с элементами двигателя и их распространению в области ближнего и дальнего поля. Отдельно исследуется вопрос оценки динамических напряжений в лопатках турбомашин. Представленная методология позволяет описать как нагружение исследуемых лопаток за счет действия нестационарных газовых сил, так и их динамический отклик. С точки зрения обеспечения длительного ресурса работы двигателя крайне важным является вопрос оценки теплового состояния лопаток турбины высокого давления (ТВД) с максимально возможным уровнем точности. В данном случае на основе наиболее критического элемента ТВД (рабочей лопатки первой ступени) представлена методология оценки теплового состояния лопаток в сопряженной постановке. Такая постановка позволяет полностью описать процесс теплообмена на границе газ - твердое тело без дополнительного задания коэффициентов теплоотдачи на поверхностях раздела сред.
Достоверность
Достоверность разработанной методологии численного анализа подтверждается сопоставлением результатов расчетов с аналитическими решениями при рассмотрении модельных задач и сопоставлением с экспериментальными данными при исследовании натурных объектов.
Научная новизна
В соответствии с отмеченными выше направлениями исследований следует отметить научную новизну полученных результатов:
- Оценка динамических напряжений в лопатках турбомашин.
Разработана математическая модель газодинамического статор-ротор
взаимодействия (неотражающие граничные условия на входе и выходе из расчетной области, обобщенные условия периодичности, возможность выполнения расчетов с 4-м порядком точности аппроксимации исходных уравнений по пространству), позволяющая повысить точность численного моделирования газодинамической нагрузки на лопатки турбомашин до 50% по сравнению с разработанным ранее газодинамическим программным комплексом Pluton.
Разработана методика оценки коэффициента демпфирования лопаток турбомашин, которая позволяет сузить диапазон его возможного изменения примерно в 2-3 раза.
- Оценка теплового состояния охлаждаемых лопаток турбин.
Разработана методика оценки теплового состояния лопаток турбин на
основе решения сопряженной задачи по теплообмену между газом и металлом лопатки в трехмерной постановке и выполнения нестационарного анализа. Сопряженная постановка позволяет исключить необходимость задания коэффициентов теплоотдачи на обтекаемых поверхностях.
При выполнении нестационарного моделирования статор-ротор взаимодействия в исследуемой ступени впервые выполнена количественная оценка сегрегации газа в межлопаточном канале ротора с учетом трехмерных и вязких эффектов. Выявлен эффект эжекции горячего газа на спинку рабочей лопатки. Проведена его количественная оценка.
- Оценка акустического совершенства вентиляторной ступени
авиационного двигателя.
Разработан эффективный расчетный метод оценки акустического и аэродинамического совершенства вентиляторной ступени авиационного двигателя, учитывающий трехмерные, вязкие и нестационарные эффекты газодинамического взаимодействия лопаток ротора и статора.
Разработана математическая модель процесса распространения акустических возмущений на основе решения линеаризованных уравнений Эйлера с применением схемы DRP, высокого порядка точности по пространству и времени с низкими диссипативными и дисперсионными ошибками. Сопоставление результатов расчетов с данными зарубежных авторов, полученных с применением аналогичных подходов, показывает, что при использовании разработанной программы получено более точное соответствие эксперименту. При этом уточнение результатов численного анализа достигает 5 дБ.
- Оценка шума, генерируемого реактивной струей авиационного
двигателя.
Разработана методика численного моделирования процесса генерации шума при истечении реактивных струй, позволяющая корректно описывать генерацию шума до чисел Струхаля 3.5 - 4.0 с использованием коммерческого ПО ANSYS-Fluent. Эти результаты соответствует передовому уровню численного моделирования генерации шума от реактивных струй во всем мире.
Таким образом на защиту выносится:
Математическая модель газодинамического статор-ротор взаимодействия, позволяющая повысить точность численного моделирования газодинамической нагрузки на лопатки турбомашин до 50% по сравнению с газодинамическим ПО ANSYS-CFX, ANSYS-Fluent.
Методика оценки коэффициента демпфирования лопаток турбомашин, которая позволяет сузить диапазон его возможного изменения примерно в 2-3 раза.
Методика оценки теплового состояния лопаток турбин на основе решения сопряженной задачи по теплообмену между газом и металлом лопатки в трехмерной постановке и выполнения нестационарного анализа. С её помощью впервые выполнена количественная оценка сегрегации газа в межлопаточном канале ротора с учетом трехмерных и вязких эффектов. Выявлен эффект эжекции горячего газа на спинку рабочей лопатки. Проведена его количественная оценка.
Расчетный метод оценки акустического и аэродинамического совершенства вентиляторной ступени авиационного двигателя, учитывающий
трехмерные, вязкие и нестационарные эффекты газодинамического взаимодействия лопаток ротора и статора.
Математическая модель процесса распространения акустических возмущений на основе решения линеаризованных уравнений Эйлера с применением схемы DRP. Сопоставление результатов расчетов с данными зарубежных авторов показывает, что при использовании разработанной программы получено более точное соответствие эксперименту. При этом уточнение результатов численного анализа достигает 5 дБ.
Методика численного моделирования процесса генерации шума при истечении реактивных струй, позволяющая корректно описывать генерацию шума до чисел Струхаля 3.5 - 4.0 с использованием коммерческого ПО ANSYS-Fluent.
Практическая значимость
В результате проведенных исследований были получены следующие практические результаты:
Разработан газодинамический программный комплекс Euler_3D, позволяющий моделировать нестационарную газодинамическую нагрузку на лопатки турбомашин.
Разработан программный комплекс LEEAxi, позволяющий моделировать распространение акустических возмущений в осесимметричной постановке.
Выполнено исследование различных вариантов геометрии спрямляющего аппарата вентиляторной ступени двигателя ПД-14 с точки зрения минимизации акустических источников статор-ротор взаимодействия. По результатам расчетов спроектирован профиль лопатки спрямляющего аппарата (СА) вентиляторной ступени, который позволил снизить уровень тонального шума вентиляторной ступени в источнике на 4 дБ.
Выполнена оценка динамических напряжений для различных вариантов лопаток рабочего колеса и направляющего аппарата первой ступени компрессора высокого давления двигателя ПД-14. По результатам расчетов определена конструкция лопатки рабочего колеса, позволяющая снизить максимальный уровень расчетных динамических напряжений в 6 раз по сравнению с исходной геометрией лопатки.
Проведена серия исследований теплового состояния ряда рабочих лопаток ТВД для различных двигателей в совместной (газ - твердое тело) постановке. В частности выполнено расчетное исследование теплового состояния рабочей лопатки первой ступени ТВД двигателя ПД-14. По результатам расчетов намечено дальнейшее совершенствование системы перфорации лопатки.
Апробация работы
Основные результаты работ были представлены на различных конференциях и семинарах. В частности можно отметить следующие конференции:
2000г.: международная научно-техническая конференция «Двигатели 21 века», Москва - декабрь. 2002г.: научно-техническая сессия по проблемам
газовых турбин, Москва - сентябрь. 2004г.: международная конференция по газотурбинным двигателям ASME-2004, Вена, Австрия - июнь. 2005г.: международная конференция по газотурбинным двигателям ASME-2005, Рино, штат Невада, США - июнь; международная конференция по авиационным двигателям ISABE-2005, Мюнхен, Германия - сентябрь; семинар пользователей Fluent, Санкт-Петербург - октябрь; международная научно-техническая конференция «Авиадвигатели XXI века», Москва - декабрь. 2006г.: Международная конференция "Вычислительный эксперимент в аэроакустике 2006", Светлогорск - сентябрь; XVIII сессия Российского акустического общества, Таганрог - сентябрь. 2007г.: всероссийская научно-техническая конференция "Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации", ПГТУ, Пермь - апрель; международная конференция по газотурбинным двигателям ASME-2007, Монреаль, Канада - Май; международная конференция по авиационным двигателям ISABE-2007, Пекин, Китай -сентябрь; международная конференция "Новые рубежи авиационной науки", Москва, в рамках МАКС-2007 - август; XIX сессия Российского акустического общества, Нижний Новгород - сентябрь. 2008г.: Международная конференция "Вычислительный эксперимент в аэроакустике 2008", Светлогорск - сентябрь; Присуждение премии Лауреата премии Пермского края в области науки I степени за лучшую работу в области информационных технологий и вычислительных систем за серию работ "Виртуальная среда для проектирования турбомашин", Пермь - февраль. 2009г.: Семинары: институт механики сплошных сред УрО РАН, г. Пермь - ноябрь; ООО «УК «ОДК», г. Москва - октябрь; ЦИАМ, г. Москва - август, ноябрь; на фирме Pratt&Whitney, Хартфорд, штат Коннектикут, США - апрель. Конференции: международная конференция по газотурбинным двигателям ASME-2009, Орландо, штат Флорида, США - июнь; всероссийская конференция по авиационной акустике, Москва - октябрь; международная конференция по авиационным двигателям ISABE, Канада, Монреаль - сентябрь. 2010г.: Научно-технический конгресс по двигателестроению (НТКД2010), Москва - апрель; международная конференция по аэроакустике (AIAA/CEAS), Стокгольм, Швеция - июнь.
Публикации
Основные положения и результаты исследований отражены в 36 научных работах. Из них 10 работ напечатаны в журналах, рекомендованных ВАК для опубликования научных результатов докторских диссертаций, 18 работ - в зарубежных журналах и трудах международных конференций, 2 работы - в трудах сессий Российского акустического общества. Две работы изданы в виде монографий.
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы.
Похожие диссертации на Методология расчетного анализа нестационарных трехмерных процессов в авиационных двигателях
