Усовершенствование турбины турбокомпрессора тк-32 с помощью газодинамических и прочностных CAE-систем Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Решетневскце чтения

УДК 621.436

Г. М. Попов, О. В. Батурин, Д. А. Колмакова, А. В. Кривцов, А. О. Шкловец

Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева (Национальный исследовательский университет), Россия, Самара

УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТУРБИНЫ ТУРБОКОМПРЕССОРА ТК-32 С ПОМОЩЬЮ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ И ПРОЧНОСТНЫХ САЕ-СИСТЕМ

Проведены мероприятия по прочностной и газодинамической доводке турбины турбокомпрессора ТК-32, позволившие существенно повысить коэффициент запаса прочности и КПД.

Объектом исследования является турбина турбокомпрессора ТК-32, целью - разработка усовершенствованной конструкции турбины, способной функционировать на повышенных режимах без существенного снижения коэффициента запаса прочности и КПД.

Проведен газодинамический анализ рабочего процесса в ступени турбины турбокомпрессора ТК-32 и выполнен расчет напряженно-деформированного состояния ее рабочей лопатки в базовом исполнении на номинальном (п = 25 500 об/мин) и повышенном (п = 28 000 об/мин) режимах. Анализ показал, что при частоте вращения ротора 28 000 об/мин на пере рабочей лопатки турбины имеется область повышенных напряжений, которые превышают допустимые, находящаяся на уровне 2/3 от корня лопатки. Кроме того, было выявлено наличие пластических деформаций в замковой части диска и лопатки. Опираясь на проведенные прочностные и газодинамические расчетные

исследования, был предложен вариант модернизации турбины. Выполнены выносы периферийных сечений, что позволило снизить уровень напряжений почти на 20 % (рис. 1).

Полученный коэффициент запаса прочности модернизированного варианта на повышенных режимах не ниже коэффициента запаса базовой турбины на номинальном режиме. Течение в турбине, модернизированной в соответствии с полученными рекомендациями, было исследовано в программном комплексе ЛпБуБ СБХ. Расчет показал, что КПД улучшенного варианта турбины увеличился более чем на 1 % по сравнению с исходным значением (рис. 2).

Также был предложен альтернативный вариант исполнения турбины, оптимизированный для работы на необходимом режиме, обладающий достаточными коэффициентами запаса прочности на всех режимах и имеющий КПД не ниже, чем у базового варианта.

Рис. 1. Динамика изменения напряжений растяжения на корытце при выполнении выноса трех верхних сечений: исходный вариант (слева); вынос девятого сечения на 2 мм (в центре); вынос девятого сечения на 3 мм (справа)

Чт

ВБ.З

Модернизированный вариант

Рис. 2. Зависимость КПД турбины турбокомпрессора ТК-32 от числа лопаток РК при неизменном числе лопаток СА: пунктир - исходный вариант лопатки; сплошная линия - лопатка с выносами

Ракетно-космические двигатели, энергетические установки и системы терморегулирования летательных аппаратов

G. M. Popov, O. V. Baturin, D. A. Kolmakova, A. V. Krivtsov, A. O. Shklovets

Samara State Aerospace University named after academician S. P. Korolyov (National Research University), Russia, Samara

IMPROVEMENT OF TURBINE OF TURBOCOMPRESSOR TK-32 WITH GAS-DYNAMICS AND STRENGTH CAE-SYSTEMS

Activities for a strength and gas-dynamic operational development of turbine of turbocharger TK-32, which significantly increased the loadfactor and efficiency were held and described in the article.

© Попов Г. М., Батурин О. В., Колмакова Д. А., Кривцов А. В., Шкловец А. О., 2011

УДК 621.675-181.4:629.78

В. Н. Рыбакова, М. В. Краев

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск

ОСОБЕННОСТИ ВИХРЕВОГО ПОТОКА В ПОЛЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ СИЛ

Исследованы особенности вихревого потока в каналах полуоткрытого и открытого центробежного колеса.

В центробежных рабочих колесах (РК) полуоткрытого и открытого типов существует неравном ер -ность потока и вихревое взаимодействие по радиусу основных потоков жидкости и в боковой пазухе насо -са. Лопатки передают энергию потоку жидкости, часть которой в боковой пазухе движется с отставанием от основного. В результате образуется течение в канале за плохообтекаемым телом, характеризующееся возникновением возвратных токов и вихрей [1]. Этот процесс определяется отношением ширины к длине канала, толщиной пограничного слоя на стенках и относительной высотой лопатки. Взаимодействие потоков в пазухе и каналах приводит к появлению циркуляционного течения в зоне за выступом (см. рисунок).

С учетом основных закономерностей течения свободных плоских струй в работе [1] получены зависимости для расчета границы различных зон смещения. Положение симметричной относительно оси границы смещения, проходящей по кромкам лопаток колеса и разделяющей течения в канале и боковой полости,

можно определить в соответствии с данными работы [2] следующей зависимостью по определенной грани зоны смещения функции ширины лопатки рабочего колеса [2]:

Ь = ±0,0882 9d.

Данные известных работ свидетельствуют о нали -чии интенсивного вихря с осью в радиальном направ -лении, которая смещена к напорной стороне лопатки. В относительном движении жидкость обтекает кана -лы со скоростью Ж = (и - иж) = и(1 - фл). Разделим условно циркуляционную зону в канале открытого РК на две области: интенсивного вращательного движения по окружности с радиусом гв и циркуляционного движения жидкости по траектории эллиптического характера (на рис. справа). Одной из характеристик этой области является отношение окружной скорости ив к скорости набегающего потока Ж на внешней границы зоны вихря:

ив = и/ж=Д1Щ.

Схема взаимодействия потоков: набегающего боковой пазухи и в каналах рабочего колеса насоса полуоткрытого (слева) и открытого (справа) типов: 1 - зона набегающего потока боковой пазухи; 2 - границы зоны смешения; 3 - зона циркуляционного течения в канале РК насоса