Введение к работе
Актуальность темы. Одним из ключевых направлений развития авиационной техники является совершенствование традиционных и создание перспективных типов газотурбинных и турбопоршневых двигателей (ГТД и ТПД) на базе прогрессивных технологий и методов научных исследований. В число наиболее перспективных путей преодоления наметившейся в данной отрасли тенденции к снижению темпов роста входит использование численной диагностики на стадии НИОКР, что обеспечивает достижение качественно нового уровня полноты представлений об исследуемом процессе и степени его оптимизации в широком спектре режимов работы, включая нестационарные, а также уменьшение доли дорогостоящего натурного эксперимента в общем объеме НИР. В практике двигателестроительных КБ часто встречается обширный класс задач, обычно связанный с необходимостью диагностики и последующей оптимизации параметров нестационарных газодинамических процессов в многорежнмных ГТДдвигателях с циклическим рабочим процессом -ТПД или ГТД с периодическим горением.Удовлетворитель-ный практический результат при этом может быть достигнут только на основе комплексной (целостной) модели всего объекта исследований. Отсюда следует вывод об актуальности проблемы создания универсальных методов расчетно-теоретнческих исследований нестационарных течений во всей совокупности основных элементов газовоздушного тракта ГТД и ТПД с учетом взаимосвязи между ними.
Задачей исследований являлось создание семейства универсальных целостных малоресурсных моделей нестационарных пространственно неоднородных газодинамических процессов во всем тракте ГТД и ТПД или крупных его фрагментах, обеспечивающих возможность сквозной диагностики нестационарных течений, с целью снижения стоимости и сокращения сроков цикла НИОКР, а также повышения уровня оптимизации характеристик разрабатываемых объектов при условии частичной замены натурного эксперимента численными исследованиями.
Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что в ней впервые предложено семейство обобщенных моделей и методов, обеспечивающих решение проблемы комплексной численной диагностики нестационарных пространственно неоднородных газодинамических процессов во всем гаювоздушном тракте ГТД и ТПД или крупных его фрагментах на всех возможных режимах работы, включая "нерасчетные". Семейство газодинамических моделей построено на основе унифицированных принципов, позволяющих получить однородное математическое описание комплекса газодинамических процессов в терминах метода особенноек-й и использоювать, вследствие nolo, для решения соответствующих сисіем уравнений единые малоресурсные численный метод и средства программной реали шини. Д.ія носіроеним моделей течении двух уровней: типовых поузловьіЧдподиоделеіі камер иоринчя, мноіостунснчатих лопаточных машин, коллекторов и т.д.) и Комплексных (целостных!, составленных из подмоделей узлов, используется набор универсальных базовых методов следующею состава:
I) семейство Методов имитации пространственных течений в местах ck'aMKOoopav
ного изменения геометрии проточной части (уступов трубопроводов, клапанных уст-" ройств и т.п.) в моделях с пониженным числом измерений, позволяющих исключить потребность в использовании априорной информации типа коэффициентов расхода;
-
метод отображения кинетики горения отдельных порций топлива, впрыскиваемого в поток газовоздушной смеси в произвольные моменты времени;
-
семейство методов имитации взаимодействия профилей с потоком, учитывающих мгновенное состояние полей параметров течения, геометрические характеристики проточной части, профильные потери,действие кориолисовых и центробежных сил, и предназначенных для использования в форме несущих дисков или дискретных образований, отображающих отдельные профили, для исследования течений в решетках ради-ально-осевых лопаточных машин компрессорного и турбинного типов, на любых физически реализуемых режимах течения при наличии сильных нелинейных возмущений, срывных явлений и экзотермических реакций;
-
метод синтеза комплексных моделей течений во всем газовоздушном тракте ГТД и ТПД различных типов с учетом симметрии и периодичности процесса.
Для определения границы газодинамической устойчивости (ГДУ) компрессоров на базе приближенной модели процесса.реализуемой на грубых сетках, не позволяющих отобразить тонкие структуры течений, была разработана методика, использующая условие возрастания энтропии в направлении течения в квазиравновесных процессах.
Практическая ценность. Обобщенные модели и методы численной диагностики были реализованы в виде комплексов программ (КП) и применены для проведения комплексных исследований газодинамических процессов: в камере сгорания периодического действия (КП HIN); в лопаточных машинах - рабочем колесе импульсной турбины газогенератора ГТД с периодическим горением (КП VIS), центростремительной турбине и центробежном компрессоре агрегата наддува К-36 (КП IMPACT, RYU), многоступенчатом осецентробежном компрессоре ГТД (КП RYU); в двухкаскадном авиационном ГТД со свободной турбиной при попадании в спутную струю (КП TATSU); в газогенераторе опытного ГТД ПГ, состоящего из центробежного компрессора, ресивера, блока 2-х клапанных камер сгорания и парциальной импульсной турбины (КП МАСН); В 4-х тактном ТПД MTU 8V396TC4 производства ЧДЗ (КП MANJI).
Результаты исследований использовались при решении задач НИОКР, связанных с поузловой увязкой и оптимизацией параметров рабочего процесса в ТПД и многорежимном ГТД, получением характеристик двигателей как объектов регулирования, разработке ГТД с Периодическим рабочим процессом.
Основные результаты. Разработанные КП и результаты численных исследований внедрены в практику НИОКР Запорожского машиностроительного конструкторского бюро(ЗМКБ)"Прогресс", Харьковского конструкторского бюро по двигателям (ХКБД), СКВ Чебоксарского дизельного завода, а также в учебном процессе кафедры 205 ХАИ в рамках курса "Численное моделирование течений в тепловых двигателях и энергоустановках". Вследствие частичной замены натурного эксперимента численным снижена
стоимость и сокращены сроки выполнения программы НИОКР, проведенной в ХКБД.
Диссертационная работа подготовлена на кафедре"Теплофизичёские основы дви-гателестроения" Харьковского авиационного института им.Н.Е.Жуковского при выполнении НИР по госбюджетной тематике, хозяйственных договоров с ЗМКБ "Прогресс", ХКБДиСКБЧДЗ.
Достоверность и обоснованность основных положений и результатов диссертации обеспечены использованием для построения содержащихся в ней моделей и методов классических форм фундаментальных физических законов и подтверждены удовлетворительной, с точки зрения практики, согласуемостью результатов серии вычислительных экспериментов - с одной стороны, а с другой - натурных исследований и расчетов, выполненных по стандартным методикам, а также проведенными методическими исследованиями алгоритмов и комплексов программ.
Апробация. Результаты работ по теме диссертации докладывались на Всесоюзных межвузовских конференциях "Газотурбинные и комбинированные установки"(Мос-ква,МВТУ-МГТУ,1983,1987,1991г.г.),ХВсероссинской межвузовской конференцииТазо-турбинные и комбинированные установки и двигатели"(Москва,МГТУ, 1996г.), республиканском семинареТидроаэромеханнка двигателей и машин"(Харьков,ХАИ,1985г.),на секции "Инженерные проблемы тепломассопереноса при фазовых превращениях в теп-лообменной аппаратуре" Научного совета ГКНТ по проблеме "Массо- и теплоперенос в технологических процессах (Харьков-Рыбачье.ХАИ, 1985г.), 111 Всесоюзной научно-технической конференции (Москва,МАИ,1986 г.), на семинаре отдела №704 Центрального института авиационного метростроения (Москва, 1987г.), на семинаре кафедры "Тур-бостроение"Казанского авиационного инеппута (Казань, 1988г.),республиканской научно-технической конференции "Маїсмаїнческое моделирование процессов и конструкций знергешческих и транспортных усіановок в системах их автоматизированного про-ектированни"(Харьков-Гоівальд,ИІШаш АН УССР, 1988г.), на Всесоюзной конференции по гидромеханике (Рыбачье, НИИ Механики МГУ-ХАП,1989г.), ХИВсесоюзнон научно-технической конференции no ajpoynpyrocni турбомашин (Рига-Юрмала, ЦИАМ, 1989г.),Н Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы газовой динамики двигателей и силовых установок" (Москва, ЦИАМ, 1990г.), на республиканской научно-технической конференции "Математическое моделирование и вычислительный эксперимент для совершенствования зтіергеїнчссьнх и траиспоршых турбоустановок в процессе исследования, проектирования, диаіносійки и беюпасного функционирования" (Харьков.ИПМаш АН УССР,1У91г.),на Международной научно-іехннческой конференции "Совершенствование >нсріеіическнх и іраниюргньїч турбоустановок негодами ма-темаїического моделирования, вьічис.ішс.їьмоіо и фнлічсскоіо жснсрнмсніов" (Харьков.ИПМаш HAH Украины, 1994г.),11 кош рессе дині аіс.іесіроителей Украины с иностранным у часі нем "Проірсі'с-Теміолоіни-Качесіво" (Рыоачьс, ХАИ,1997|.). Содержание днесершши было апробировано на семинарах и расширенной іасе.чании Kaijxr.ipw Tcil-лофизпческие основы двш a le.KvipoeiiiM" Харькове», л о ашіащшнної о института.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 статей, из них 3 - без соавторов, тексты 4 докладов на международной научно-технической конференции и курс лекций - без соавторов.В них лично автором предложены постановка задачи иссле-дованин.моделп и методы расчета нестационарных газодинамических процессов в решетках профилей, методики учета профильных потерь, метод отображения кинетики горения топлива в потоке газовоздушной смеси, обобщенная модель процесса в камере сгорания, универсальный метод построения семейства комплексных моделей нестационарных течений во всем газовоздушном тракте ГТД и ТПД с учетом свойств периодичности и симметрии рабочих процессов, варианты методов учета пространственного характера течений в моделях с пониженным числом измерений, семейство методов численной реализации моделей всех уровней, методика определения газодинамической устойчивости компрессора с использованием условия возрастания энтропии по потоку на устойчивых режимах, представлены результаты численной диагностики процессов в камере сгорания периодического действия, лопаточных машинах, ГТД и ТПД в целом.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка использованных источников. Работа содержит 295 страниц, 66 иллюстраций и 18 таблиц. Список литературы включает 156 названий.
Похожие диссертации на Обогащенные газодинамические модели и методы численной диагностики нестационарных процессов в газотурбинных и турбопоршневых двигателях
