Введение к работе
Актуальность темы
Среди требований, предъявляемых к газотурбинным двигателям (ГТД), используемых в гражданской авиации и энергогенерирующих установках, к первоочередным относятся повышение экономичности, снижение стоимости и сроков проектирования. Улучшение топливной экономичности достигается за счет повышения параметров цикла и эффективности работы основных узлов двигателя, одним из которых является турбина низкого давления (ТНД). Стоимость и сроки проектирования снижаются за счет совершенствования методов проектирования.
Существенное влияние на эффективность многоступенчатых ТНД оказывают определяющие параметры: параметр газодинамической нагруженности (Y), степень понижения полного давления Т*, угол и приведенная скорость потока на выходе из турбины (Т и Т), распределение нагрузок (`Над i) и степеней реактивности (i) по ступеням, обеспечивающие заданную работу турбины.
Выбор определяющих интегральных параметров турбины ТРДД осуществляется на этапе одномерного газодинамического расчета и представляет собой начальную стадию многодисциплинарного многоуровнего итерационного процесса проектирования. На практике задача решается методом вариантного поиска для конкретных условий проектируемого объекта, базирующимся на рекомендациях по выбору параметров и личном опыте проектировщика. В этом случае результат выбора становится зависимым от квалификации проектировщика и носит субъективный характер. К тому же при переборе ограниченного числа вариантов остается сомнение в том, что выбран действительно наилучший вариант решения.
Автоматизация процесса проектирования и развитие методов оптимизации способствовали попытке внедрения процедуры оптимизации на всех этапах проектирования турбины. Известное формальное использование метода численной оптимизации, работающей непосредственно с математической моделью, позволяет определить точные значения оптимальных параметров, обеспечивающих экстремум функции КПД турбины при заданных ограничениях. Такой подход мог бы существенно повысить эффективность и сократить сроки проектирования, однако не получил широкого применения на практике вследствие трудностей, связанных с корректной постановкой задачи, определением ограничений и нереализуемыми решениями. Кроме того, метод формальной оптимизации не обладает достаточной информативностью, поскольку не дает проектировщику необходимых представлений о закономерностях изменения КПД и оптимальных параметров турбины в зависимости от конкретных условий.
Представляется, что методы выбора основных параметров ТНД могут быть усовершенствованы путем использования количественных универсальных зависимостей изменения КПД от назначаемых параметров в конкретных условиях проектируемой турбины.
Современные многоступенчатые ТНД ТРДД обычно выполняют диагональными. Теория и методы газодинамического проектирования (1D и 2D модели), используемые на начальной стадии проектирования турбины, не учитывают особенности преобразования энергии, обусловленные инерционными силами, порождаемыми кориолисовым ускорением. Представляется необходимым разработать термогазодинамическую модель расширения газа в диагональной турбине.
Цель и задачи работы
Получить универсальные зависимости изменения КПД от определяющих параметров, назначаемых при проектировании многоступенчатой неохлаждаемой диагональной турбины.
Направление исследований
Для достижения этой цели необходимо:
- разработать термогазодинамическую модель процесса расширения газа в диагональной турбине;
- выявить достоверные эмпирические и полуэмпирические связи коэффициентов потерь в решетках от геометрических и режимных параметров, статистические закономерности конструктивно-геометрических параметров;
- разработать методику расчета и соответствующую математическую модель одномерного газодинамического расчета многоступенчатой неохлаждаемой турбины с умеренными числами Маха в проточной части, учитывающую особенности преобразования энергии в диагональных ступенях турбины и оперирующую параметрами, представленными в безразмерном виде;
- выбрать эффективный метод оптимизации и интегрировать разработанную математическую модель расчета в программный комплекс с блоком оптимизации;
- на основе разработанной математической модели получить зависимости изменения КПД при различном сочетании определяющих факторов, оптимизируя при этом распределение нагрузок и реактивностей по ступеням, и провести анализ совместного влияния параметров на КПД для ступени и трехступенчатой турбины, как наиболее характерной для ТРДД.
Методы исследования
При решении поставленных задач использованы методы термодинамики и газодинамики для математического моделирования процесса расширения потока в газовой турбине, методы статистического анализа, методы поиска оптимального решения.
Достоверность и обоснованность
Достоверность и обоснованность научных результатов базируется на применении основных законов сохранения, подтверждается результатами сравнения расчетных данных составляющих потерь в решетках с экспериментальными данными и сопоставлением результатов расчета КПД ТНД с экспериментально полученными. Достоверность результатов оптимизации обеспечивается адекватным выбором метода поиска оптимальных решений.
На защиту выносятся:
1. Термогазодинамическая модель процесса расширения газа в диагональной турбине.
2. Математическая модель течения газа в многоступенчатой дозвуковой газовой турбине, учитывающая эффект возврата тепла и особенности преобразования энергии в диагональных ступенях, оперирующая безразмерными интегральными параметрами.
3. Универсальные зависимости изменения КПД многоступенчатой неохлаждаемой диагональной газовой турбины от определяющих параметров, полученные для условий оптимального распределения нагрузок и реактивностей по ступеням.
Научная новизна
-
Получены соотношения, позволяющие учитывать влияние кориолисовых сил в одномерном газодинамическом расчете газовой турбины.
-
Разработана математическая модель течения газа в многоступенчатой турбине, оперирующая безразмерными параметрами.
-
Получена количественная оценка влияния диагональности на КПД ступени и турбины.
-
Получены универсальные зависимости изменения КПД от определяющих интегральных параметров многоступенчатых неохлаждаемых диагональных газовых турбин.
Практическая полезность
-
Применение разработанной математической модели позволяет более корректно выполнять газодинамический расчет многоступенчатых неохлаждаемых диагональных газовых турбин.
-
Применение полученных зависимостей совершенствует методы выбора параметров, позволяет определить области рациональных параметров, повысить эффективность и сократить сроки начального уровня газодинамического проектирования.
-
Разработанная термогазодинамическая модель расширения газа в диагональной турбине и полученные закономерности влияния определяющих параметров на КПД дополняют теорию газовых турбин.
Апробация работы
Основные результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
- 5-я Всероссийская конференция “Теплофизика процессов горения и охраны окружающей среды”, Рыбинск: РГАТА, 2001 г;
- XXIX конференция молодых ученых и студентов, Рыбинск: РГАТА, 2005 г;
- XI Всероссийская научно-техническая конференция “Теплофизика технологических процессов”, Рыбинск: РГАТА, 2005 г;
- Всероссийская молодежная научная конференция с международным участием “VIII Королевские чтения”, Самара: СГАУ, 2005 г;
- Международная научно-техническая конференция “Проблемы и перспективы развития двигателестроения”, Самара: СГАУ, 2006 г;
- XI Международный конгресс двигателестроителей, Украина, Рыбачье, 2006 г.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 5 тезисов докладов в трудах конференций, 2 статьи, 1 из которых в издании, рекомендованном ВАК.
