Введение к работе
Актуальность темы исследования. Одной из важнейших и актуальных задач при создании газотурбинного двигателя (ГТД) является выбор оптимальных значений параметров его рабочего процесса. Разработка ГТД различного назначения на базе унифицированного газогенератора - одно из основных стратегических направлений мирового авиадвигателестроения. Это определяется прежде всего значительными, непрерывно возрастающими затратами средств на создание современных авиационных ГТД. Создание семейств двигателей на основе унифицированного газогенератора обеспечивает высокие показатели надёжности и ресурса и позволяет быстро реагировать на конъюнктуру рынка при минимальных сроках и стоимости создания новых двигателей. Поэтому вопрос выбора рациональных параметров рабочего процесса унифицированного газогенератора для семейства двигателей актуален и в настоящее время.
Степень разработанности темы. Все современные авиадвигателестроительные предприятия очередные модификации своих двигателей создают, как правило, на базе существующего газогенератора. При таком подходе выбор параметров газогенератора и двигателя осуществляется под заданный самолёт. Однако, несмотря на очевидную значимость проблемы выбора рациональных параметров унифицированного газогенератора и двигателей, создаваемых на его основе, ей уделяется пока недостаточное внимание. В этой связи разработка методов, которые позволят выбирать рациональные параметры унифицированного газогенератора и двигателей различного целевого назначения, является важной задачей.
Цель и задачи. Цель работы - улучшение технико-экономических показателей авиационных газотурбинных двигателей за счёт оптимизации параметров рабочего процесса унифицированного газогенератора и двигателей, создаваемых на его основе.
Задачи исследования:
-
Разработка метода выбора рациональных параметров рабочего процесса унифицированного газогенератора.
-
Разработка метода выбора рациональных параметров рабочего процесса ГТД, создаваемых на базе заданного газогенератора.
-
Разработка метода выбора рациональных параметров рабочего процесса семейства ГТД, создаваемых на базе унифицированного газогенератора.
-
Разработка компьютерных моделей решения задач оптимизации и выбора параметров рабочего процесса унифицированного газогенератора и создаваемых на его базе семейства газотурбинных двигателей в САЕ-системе «АСТРА».
-
Исследование выбора рациональных параметров рабочего процесса семейства ГТД, состоящего из ТРДД (Р0=230 кН и Р0=150 кН) и ГТУ (Ne=25 МВт), на базе унифицированного газогенератора.
-
Исследование возможности создания ГТД на основе модификаций унифицированного газогенератора.
Научная новизна заключается в следующем:
-
Разработан новый метод выбора рациональных параметров рабочего процесса унифицированного газогенератора для семейства двигателей, основанный на многокритериальной оптимизации.
-
Разработан метод оптимизации параметров рабочего процесса ГТД, создаваемых на базе заданного газогенератора по критериям ЛА.
-
Разработан метод выбора рациональных параметров рабочего процесса
семейства газотурбинных двигателей, создаваемых на базе унифицированного газогенератора, позволяющий одновременно оптимизировать и параметры двигателей семейства и параметры газогенератора.
-
Разработаны компьютерные модели в САЕ-системе «АСТРА» для решения задачи выбора параметров рабочего процесса семейства ГТД, создаваемых на базе унифицированного газогенератора.
-
Разработана и апробирована технология создания семейства ГТД, состоящего из ТРДД и ГТУ, на базе унифицированного газогенератора. Исследована возможность и выработаны предложения по модификации унифицированного газогенератора для применения в составе ГТУ для газотурбовоза и наземной энергоустановки с целью повышения их эффективности.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость результатов работы заключается в разработке метода выбора рациональных параметров рабочего процесса унифицированного газогенератора и семейства газотурбинных двигателей, создаваемых на его базе.
Практическая значимость результатов состоит в том, что разработанные методы выбора параметров рабочего процесса семейства ГТД на базе унифицированного газогенератора позволяют улучшить технико-экономические показатели создаваемых двигателей, сократить время на их проектирование и повысить их конкурентоспособность.
Результаты исследования нашли практическое применение при выполнении следующих работ:
«Создание линейки газотурбинных двигателей на базе универсального газогенератора высокой эффективности» (договор с ОАО «Кузнецов» от 15.07.2010 г. № 85/10 при финансовой поддержке Правительства Российской Федерации (Минобрнауки) на основании постановления Правительства РФ №218 от 09.04.2010);
«Развитие теории и методов оптимального проектирования авиационных ГТД» в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)»;
«Разработка методов анализа и концептуального проектирования газотурбинных двигателей и энергетических установок со сложными циклами на основе математического моделирования их термогазодинамических процессов» в рамках государственного задания Министерства образования и науки Российской Федерации;
«Развитие теории и математическое моделирование термогазодинамических процессов газотурбинных двигателей (ГТД) и энергетических установок со сложными циклами» в рамках государственного задания Министерства образования и науки Российской Федерации.
Разработанные методы и средства нашли практическое применение в ОАО «Кузнецов» и СГАУ.
Методология и методы исследования. Общий методологический подход базируется на основных положениях теорий ГТД и лопаточных машин, современных методах математического моделирования сложных систем, теории и методах нелинейной оптимизации, методах системного анализа, теории и методах построения и реализации САПР.
Объектом исследования является проектирование рабочего процесса ГТД.
Предметом исследования являются методы и средства выбора параметров
рабочего процесса ГТД, создаваемых на базе унифицированного газогенератора. Положения, выносимые на защиту:
-
Метод выбора рациональных параметров рабочего процесса семейства газотурбинных двигателей, создаваемых на базе унифицированного газогенератора, позволяющий одновременно оптимизировать и параметры двигателей семейства и параметры газогенератора.
-
Компьютерные модели в САЕ-системе «АСТРА» для решения задачи выбора параметров рабочего процесса семейства ГТД, создаваемых на базе унифицированного газогенератора, и технология формирования компьютерных моделей.
-
Предложения по модификации унифицированного газогенератора для применения в составе ГТУ для газотурбовоза и наземной энергоустановки с целью повышения их эффективности.
Степень достоверности полученных результатов подтверждается корректностью постановки задачи, использованием апробированных теоретических положений и методов, а также удовлетворительной верификацией разработанных моделей с моделями, используемыми в реальной практике проектирования ГТД.
Апробация результатов исследования.
Основные положения диссертационной работы, научные и практические результаты докладывались на IV Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы машиностроения» (Самара, 2012 г.); симпозиуме с международным участием «Самолетостроение России. Проблемы и перспективы» (Самара, 2012 г.); международном научно-техническом форуме, посвященном 100-летию ОАО «Кузнецов» и 70-летию СГАУ, (Самара, 2012 г.); на научно-технических совещаниях и семинарах СГАУ и ОАО «Кузнецов» (2010-2012 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 36 работ, в том числе 12 статей в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка использованных источников из 120 наименований. Общий объём работы составляет 149 страниц, 109 рисунков и 16 таблиц.
