CC BY
68
УДК 621.515
В.П. ГЕРАСИМЕНКО1, М.Ю. ШЕЛКОВСКИЙ2
1Националъный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «ХАИ», Украина 2«Заря»-«Машпроект» ГП НПКГ, Украина
КОМПЛЕКСНОЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКОЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОМПРЕССОРОВ ГТД
На основе использования программного комплекса А^БУБ С¥Х и экспериментальных исследований выполнено аэродинамическое совершенствование компрессоров газотурбинных двигателей, обеспечившее повышение КПД компрессорных ступеней до ^ст*=0,92...0,93 путем трехмерного математического моделирования лопаточных венцов и применения специальных крыловых профилей с «управляемой» диффузорностью и 8-образностью, тангенциальным «навалом» и «бочкообразностью» лопаток,, оптимальными их геометрическими параметрами. Обращено внимание на необходимость учета смешения эффектов по источникам потерь при оптимизации решеток. Для учета нестационарного обтекания лопаточных, венцов исследования выполнены в системе многоступенчатых, компрессоров, что приближало условия обтекания к реальным. Сочетание расчетных, и экспериментальных, исследований обеспечило адекватность результатов и послужило основанием для их внедрения в новые изделия.
Ключевые слова: газотурбинный двигатель, , компрессор, лопаточный венец,,трехмерное математическое моделирование
Введение
Современное авиадвигателестроение характеризуется высокими расчетными термодинамическими параметрами рабочего процесса газотурбинных двигателей (ГТД): рк*=35...45, Тг*=1600...1800 [1,2], для реализации которых с приемлемыми КПД компрессоров требуется повышение КПД их ступеней до значений Лст*= 0,92.0,93 [3] с одновременным повышением коэффициентов напора ~н = 0,27.0,35.
Формулирование проблемы
Повышение КПД компрессорных ступеней возможно путем минимизации всех источников потерь, к которым, наряду с диффузорными, профильными и вторичными потерями, включают концевые и потери в радиальном зазоре, а также потери нестационарного обтекания лопаточных венцов из-за наличия следов за предыдущей решеткой . Кроме того, при около и сверхзвуковых скоростях потока на входе возникают волновые потери, требующие также минимизации .
Минимизация каждого из перечисленных видов потерь в отдельности часто затруднена наличием смешения между некоторыми из них . Так потери перетекания в радиальном зазоре [4] взаимосвязаны с потерями парного вихря и на трение о кольцевую ограничивающую стенку. А профильные потери зависят от нестационарности набегающего потока, вызван-
ной кромочными следами за предыдущими лопаточными венцами [5], тогда как включают в себя, кроме потерь на трение, кромочные потери на рассматриваемом лопаточном венце . Особенно сложным становится разграничение видов потерь при их минимизации путем многопараметрической оптимизации компрессорных лопаточных венцов на основе анализа трехмерного вязкого течения [6].
Целью данной статьи является повышение эффективности компрессоров газотурбинных двигателей путем их комплексного аэродинамического совершенствования.
Положительными параметрами оптимизации пространственной формы турбинных лопаток на основе ЗБ-моделирования являются публикации [7-9] наряду с многопараметрической многокритериальной комплексной оптимизацией [10] или поиском максимума КПД турбинной ступени симплекс-методом по семи переменным при расчете по среднему радиусу [11].
Возможности многопараметрической оптимизации решеток турбомашин подтверждены также комплексными исследованиями авторов [12] по традиционным геометрическим переменным: густоте решеток, относительной максимальной толщине профилей, радиусу входной кромки рабочих лопаток, относительному радиальному зазору с получением промежуточных регрессионных моделей на основе теории планирования эксперимента в частности греко-латинских квадратов . В данных исследо-
© В.П. Герасименко, М.Ю. Шелковский, 2013
ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения №2/2013
- 69 -
ваниях в качестве критерия оптимизации использован КПД ступеней . Задача оптимизации с использованием подобных математических моделей может быть решена явным и неявным способом с поиском оптимума одновременно по нескольким параметрам методами нелинейной оптимизации: крутого восхождения — скорейшего спуска, симплекс-методом, случайного поиска и др .[13,14]. Поиск экстремума в многомерном пространстве при безусловной оптимизации явным способом с помощью математической модели в виде произведений нелинейных функций по каждой переменной, получаемой по греко-латинскому квадрату, может быть сведен к простому получению системы уравнений с взятием частных производных по каждой переменной и приравниванием их к нулю без учета эффектов взаимодействия между переменными.
В случае условной оптимизации подобный метод позволяет учесть ограничения по каждому из факторов . Данные ограничения могут быть вызваны аэродинамическими, геометрическими, конструктивными или прочностными причинами, которые как правило взаимоувязаны между собой, а поэтому требуют учета взаимодействия факторов, что составляет определенную проблему.
Подобные исследования по оптимизации компрессорных лопаток путем пространственного моделирования также подтверждают положительные результаты [3,6] . Однако принципиальное отличие диффузорного характера течения в компрессорных лопатных венцах по сравнению с конфузорным течением в турбинах, подтверждаемое исследованиями эффектов «управляемой» диффузорности [6,12,13], перетеканием в радиальном зазоре [4] с проявлением «скребкового» эффекта и эффекта противоположно движущейся торцевой стенки, а также волновых потерь при околокритическом обтекании профилей, и нестационарного взаимодействия соседних лопаточных венцов [5] дают основание предполагать о возможном существенном отличии проявления перечисленных эффектов на оптимальную форму компрессорных лопаток с участками «бочкообразности», «парусности», «саблевидности», 3-«образности» и тангенциального «навала» [3,6] .
Результаты исследования
Ввиду существенного смешения эффектов перечисленных факторов по большинству видов потерь в межлопаточных компрессорных каналах: профильных, кромочных и нестационарного взаимодействия; диффузорного отрыва в двухгранном углу, парного вихря и перетекания в радиальном зазоре, то важным предложением
остается выбор критерия аэродинамической оптимизации при 3Б-моделировании [3,6-10].
Сложность учета и разделения перечисленных потерь на отдельные составляющие не позволяет их описывать традиционными регрессионными параметрическими зависимостями в расчетных методиках, что требует специальных приемов для их учета при современном проектировании компрессоров. В подобной ситуации представляется нецелесообразным разделять эффекты снижения КПД лопаточного венца или ступени по каждому источнику — типу потерь в отдельности . Оценку влияния смешиваемых эффектов на КПД ступени или лопаточного венца в анализе по видам потерь удобно выполнять интегрально, где в качестве такого интегрального критерия оптимизации использовать этот КПД . Например, влияние радиального зазора над рабочим колесом на потери вихря перетекания, парного вихря и трение на кольцевой ограничивающей стенке ввиду их смешения можно оценивать снижением КПД ступени в функции от величины относительного радиального зазора [4]. Для ослабления вихря перетекания и снижения потерь перетекания согласно структурному анализу завихренно-стей за вращающейся решеткой предложено применять профили лопаток в периферийном сечении с обратной З-образностью в сочетании с парусностью лопаток.
Эффективным средством снижения профильных потерь в компрессорных решетках и лопаточных венцах с повышенной аэродинамической нагрузкой является применение крыловых профилей с «управляемой» диф-фузорностью [15,17]. Параметрическая оптимизация таких лопаточных венцов на основе 3Б-моделирования позволила повысить КПД ступени на 1,6% до 0,92 [6].
При околокритическом обтекании лопаток происходит смешение эффектов волновых потерь с потерями отрыва на диффузорном участке спинки лопатки из-за влияния звукового скачка на отрыв, что необходимо учитывать особенно при «управлении» диффузорностью [6].
Учет влияния нестационарности потока, связанной с обтеканием лопаточных венцов периодически неравномерным потоком из-за следов за лопатками предыдущей решетки, на характеристики компрессорной ступени [5] осуществлен путем выполнения трехмерных аэродинамических расчетов в системе многоступенчатого компрессора [3], что позволило приблизить расчетные условия обтекания решеток профилей к реальным. Такие трехмерные расчеты компрессоров в отличие от расчетов по среднему радиусу [11] или двумерных [17], в том числе по поверхностям 31 и 32 методом
Ву наиболее полно учитывают трехмерную реальную структуру течения в межлопаточных каналах [18], что позволяет оптимизировать пространственную форму лопаток рабочих колес (РК) и направляющих аппаратов (НА) компрессорных ступеней в многоступенчатом компрессоре [3, 6, 16].
Заключение
Изложен комплексный подход к аэродинамическому совершенствованию лопаточных венцов многоступенчатых осевых компрессоров ГТД путем учета и снижения всех видов потерь: профильных, перетекания в радиальном зазоре, нестационарного обтекания и др. на основе трехмерного математического моделирования лопаток при их оптимизации с применением «управляемой» диффузорности, З-образных и специальных крыловых профилей, тангенциального «навала» и «бочкообразности» лопаток и т.п . Одной из особенностей проведенных исследований по многопараметрической оптимизации лопаточных венцов был учет смешения эффектов по разным источникам потерь путем использования КПД как интегрального критерия оптимизации. Такие мероприятия позволили получить КПД высоконапорных компрессорных ступеней ^ст* = 0,92...0,93 [3], который использован в качестве интегрального критерия оптимизации . При этом комплексность предусматривает такую оптимизацию одновременно по всем варьируемым геометрическим переменным, например симплекс-методом, среди которых коэффициент напора, как параметр аэродинамической нагрузки может быть вторым критерием оптимизации или как переменная -ограничением.
Литература
1.Герасименко В.П. Теор1я ав1ацшних двигушв [Текст]: щцручник / В.П . Герасименко . - X.: ХА1, 2003 . - 199 с.
2 . Научный вклад в создание авиационных двигателей [Текст] / Под общей ред. В.А.Скибина и В.И .Солонина М.: Машиностроение 2000. Кн.1 - 725 с., Кн.2 - 646 с.
3 . Герасименко В.П. Расчетно-эксперимен-тальное исследование газодинамических характеристик компрессорных решеток в системе многоступенчатого компрессора [Текст] / В.П. Герасименко, М.Ю. Шелковский // Авиационно-космическая техника и технология -2012. - №8 (95) - С. 61-68.
4 . Герасименко В.П . Эффекты радиального зазора в турбомашинах [Текст] / В.П . Герасименко, Е.В . Осипов, М.Ю . Шелковский // Авиационно-космическая техника и технология. - 2004. - №8 (16) . - С. 51-58.
5 . Герасименко В.П . Исследование влияния нестационарности потока на характеристики ступени осевого компрессора [Текст] / В.П . Герасименко, А.В . Приходько // Газовая динамика двигателей и их элементов: сб . науч. тр.- X.:- 1989 . - Вып.1. - С . 102-107.
6. Герасименко В.П. Аэродинамическая оптимизация рабочего колеса компрессора ГТД [Текст] / В.П. Герасименко, М.Ю Шелковский // Авиационно-космическая техника и технология . — 2010 .
- №10(77). - C . 46-48.
7.Ершов С.В . Аэродинамическая оптимизация пространственной формы лопаток паровых и газовых турбин [Текст] /С.В.Ершов,
B.А.Яковлев // Авиационно-космическая техника и технология. 2008-№7(54) —
C. 66-70.
8 .Lampart P . Direct Constrained Computational Fluid Dynamics Based Optimization of Three
- Dimensional Blading for the Exit Stage of a Large Power Steam Turbine [Text]/ P.Lampart, S.Yershov// Trans . of the ASME . Journal of Engineering for Power . -2003 . Vol.125, №1,— P. 385-390.
9.Ершов С.В. Многорежимная аэродинамическая оптимизация пространственной формы лопаточных аппаратов турбин [Текст] / С.В . Ершов, В.А . Яковлев // Авиационно-космическая техника и технология. — 2010.
- №9(76). - C . 29-33.
10 . Усатий О.П . Всережимна багатопара-метрична багатокритерiальна оптишзащя проточно! частини турбш в штегрованому шформацшному просторi [Текст]: автореф . дис.на здобуття наук.ступеня докт . техн . наук: спец . 05.05.16 «Турбомашини та тур-боустановки» - Харюв . 2013-25с. 11. Герасименко В.П . Оптимизация параметров малоразмерных агрегатов турбо-наддува ДВС [Текст]/ В.П.Герасименко, Н.К.Рязанцев, Б.С.Сотников // Прогресс, технология, качество: сб . науч . тр . Второго конгресса двигетелестроителей Украины — Харьков . 1997.-С.153-154.
12 . Герасименко В.П . Оптимизация геометрических параметров лопаток турбо-машин решением прямой аэродинамический задачи [Текст] / В.П.Герасименко, Е.В.Осипов, М.Ю.Шелковский // Науковi пращ . сер.: Техногенна безпека . Науково-методич.журнал .Микола!в .держ.гумангт.ун-т iм. П.Могили Комплексу «Киево-Могилянско! академи» -2006.-Т.53.-Вип 40 . -С.133-140.
13 . Бойко А.В . Основы теории оптимального проектирования проточной части осевых турбомашин [Текст] : учеб . пособие
ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения №2/2013
— 71 —
/ А.В.Бойко Ю.Н.Говорущенко.— X.: Вища школа, 1989. - 217с.
14.Химмельблау Д.Прикладное нелинейное программирование [Текст]: пер . с англ . / Д.Химмельблау - М.: Мир, 1975. - 5З5с.
15. Спицын В.Е. Компрессор со специальным профилированием лопаточных венцов [Текст] / В.Е.Спицын, М.А.Шаров-ский, М.Ю . Шелковский // Авиационно-космическая техника и технология. - 2008 . - №7(54) . - С . 90-94.
16 . Шаровский М.А. Характеристики многоступенчатого компрессора со специальным
профилированием лопаточных венцов [Текст] / М.А . Шаровский, Е.А . Токарева, М.Ю . Шелковский // Вестник двигателестроения. - 2007. - №З . - С. 56-61.
17 . Кваша Ю.А. О совместном решении прямой и обратной задачи газодинамики компрессорных решеток [Текст] / ЮАКваша, С.В.Мелашич . // Авиационно-космическая техника и технология -2008. - №7(54).-С.74-77.
18 .Кампсти Н . Аэродинамика компрессоров [Текст]: пер .с англ./ Н.Кампсти - М.: Мир, 2000.-688с.
Поступила в редакцию 25.05.2013
В.П. Герасименко, М.Ю. Шелковський. Комплексно аеродинам1чне вдосконалення KOMnpecopie ГТД
На ocHoei використання програмного комплексу ANSYS CFX i експериментальних досл^джень виконано аерoдинамiчне вдосконалення mMnpe^pie газотурбтних двигушв, яке забезпечило тдвищення ККД компресорних ступешв до hCT* = 0,92...0,93 шляхом тpивимipнoгo математичного моделювання лопаткових втщв i застосування спещальних крилових npoфiлiв i3 «керованою» дифузоршстю i S-образшстю, тангенщальним «навалом» i «бoчкonoдiбнocтi» лопаток,, оптимальними ¿х геометричними параметрами. Звернуто увагу на нeoбхiднicть врахування змшання eфeктiв за джерелами втрат при onтимiзацii граток. Для облку нестащонарного обткання лопаткових втщв до^дження виконаш в cиcтeмi багатоступеневих кoмnpecopiв , що наближало умови обткання до реальних. Поеднання розрахункових та експериментальних до^джень забезпечило адекватшсть peзультатiв i послужило тдставою для ¿х впровадження в нoвi вироби.
Ключов1 слова: газотурбтний двигун,, компресор, лопатковий вiнeць, тpивимipнe математичне моделювання.
V.P. Gerasimenko, M.Y. Shelkovsky. Complex aerodynamic perfection of compressors of GTE
The aerodynamic perfection of compressors of gas turbine engines was done using experimental researches and software package ANSYS CFX. That provides an increase of compressor stages efficiency to hst* = 0,92...0,93 by the three-dimensional mathematical design of blade vanes and application of the special profiles with «controlled» diffusion and S-profiles , by a tangential «lean» and «barrel-shaped» blades, their optimum geometrical parameters. Paid regard to necessity account of mixing of effects on the sources of losses during optimization of blade rows. For the account of the transitional flow in blade vanes the researches were performed in the multi-stage compressors system,, that approached the flow conditions to the real. Combination of calculation and experimental researches provided adequacy of results and served foundation for their introduction in new wares.
Key words: gas turbine engine, compressor, blade row, three-dimensional mathematical modeling.
