Исследование целесообразности применения и газодинамической эффективности ТНД с "обратным" вращением ротора

• Автор: Ван Лэй
• Шифр специальности: 05.07.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 160 с. : ил.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Диссертация посвящена исследованию целесообразности и газодинамической эффективности применения ТНД с «обратным» вращением ротора в ТРДЦ для гражданской авиации. Проблема возникла в связи с повышением газодинамической нагруженности турбинных ступеней и, в частности, применением одноступенчатых высокоперепадных ТВД в современных и перспективных двигателях для ГА.
В этой связи представляет интерес выявить условия, в том числе, конструктивные, кинематические и газодинамические особенности одноступенчатой высокоперепадной ТВД, при которых применение обратного вращения ротора ТНД наиболее целесообразно. Далее необходимо исследовать газодинамический аспект проблемы, касающийся непосредственно газодинамических особенностей сопловых аппаратов первой ступени ТНД, составленных из малоизогнутых относительно тонких лопаток.
Основное внимание в настоящей диссертации уделено именно газодинамической стороне проблемы, поскольку расчетных и экспериментальных материалов по рациональному проектаро-ванию таких сопловых аппаратов очень мало, и они имеют, как правило, разрозненный характер.
Диссертация состоит из трех основных разделов, заключения и списка литературы. Раздел 1 (Введение) посвящен состоянию вопроса и постановке задач исследования. В этом же разделе (п. 1.3) рассматриваются особенности одноступенчатой высокоперепадной ТВД в схеме типичного ТРДЦ для ГА, при которых применение ТНД с обратным вращением ротора наиболее целесообразно. Раздел 2 посвящен численным и экспериментальным исследованиям решеток СА1 ТНД, а раздел 3 - аналогичным исследованиям проточной части ТНД с прямым и обратным вращением ротора.
Проведенные исследования опираются на современные численные методы, верифицированные в диссертации применительно к решеткам и лопаточным аппаратам с малыми углами поворота потока на экспериментальных данных, опубликованных в печати, а также полученных самим автором на турбинных ступенях. Работа выполнялась в Московском авиационном институте, экспериментальные исследования ТНД проводились в НИЦ ЦИАМ им. П.И.Баранова.
Автор выражает сердечную благодарность научному руководителю профессору, доктору технических наук В.Д. Венедиктову, а также профессору, кандидату технических наук Ржавину Ю.А.
Выполнение работы было бы невозможно без поддержки всего коллектива кафедры авиационных двигателей МАИ, которую возглавляет профессор, доктор технических наук А.Б. Агульник.

ПРЕДИСЛОВИЕ

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

1. ВВЕДЕНИЕ
1.1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1.1. О существе и практической значимости проблемы
1.1.2. О силовой схеме и размещении опор узла турбины
1.1.3. Особенности СА1 ТНД с обратным вращением ротора
1.1.4. Особенности и преимущества применения одноступенчатых высокоперепадных ТВД в ТРДЦ с противоположным вращением роторов
1.1.5. Задачи настоящего исследования
1.2. О РОЛИ СОВРЕМЕННЫХ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПРИ
ПРОЕКТИ РОВАНИИ И ОПТИМИЗАЦИИ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ТУРБИН
1.3. ОСОБЕННОСТИ ВЫСОКОПЕРЕПАДНОЙ ТВД В СХЕМЕ ТРДЦ С ПРОТИВОПОЛОЖНЫМ ВРАЩЕНИЕМ РОТОРОВ
1.3.1. О постановке задачи численного анализа высокоперепадной ТВД
1.3.2. Анализ результатов параметрического исследования высокоперепадной ТВД
1.3.3. Некоторые выводы
Рисунки к разделу 1.3
2. ЧИСЛЕННОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РЕШЕТОК
СА1 ТНД С ПРЯМЫМ И ОБРАТНЫМ ВРАЩЕНИЕМ РОТОРА
2.1. ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО СТЕНДА У-300С ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТУРБИННЫХ РЕШЕТОК
2.1.1. Описание стенда и системы измерений
2.1.2. Методика обработки экспериментальных данных
2.1.3. Особенности исследования трансзвуковых турбинных решеток
Рисунки к разделу 2.1
2.2. ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛОСКИХ РЕШЕТОК СА1 ТНД И СОПОСТАВЛЕНИЕ РАСЧЕТНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ С ЭКСПЕРИМЕНТОМ
2.2.1. Геометрические особенности исследованных решеток
Рисунки к разделу 2.2.1
2.2.2. Сопоставление расчетных и экспериментальных результатов
в исследованных плоских решетках
Рисунки к разделу 2.2.2
2.2.3. Сопоставление расчетных и экспериментальных результатов
в исследованных решетках с меридиональным раскрытием 1-м, 2-м, 3-м
Рисунки к разделу 2.2.3
Таблицы к разделам 2.2 и 2.3
2.2.4. Некоторые выводы по результатам проведенного сопоставления расчетных
и экспериментальных данных в исследованных решетках
2.3. ОПТИМИЗАЦИЯ РЕШЕТОК СА1 ТНД С ОБРАТНЫМ ВРАЩЕНИЕМ РОТОРА
2.3.1. Некоторые результаты численного исследования решеток
2.3.2. О подходах к оптимизации решеток
2.3.3. К выбору оптимального шага в плоских решетках 1, 2,
по уровню профильных потерь <^пр
2.3.4. К выбору оптимального шага в решетках с меридиональным раскрытием
1-м и 2-м по уровню профильных потерь С пр-т Ю2
2.3.5. К выбору оптимального шага в решетках с меридиональным раскрытием
1-м и 2-м по уровню суммарных потерь
2.3.6. Численное исследование вторичных потерь ^вт в решетках с меридиональным раскрытием 1-м и 2-м при различной величине относительного шага
2.3.7. Некоторые выводы по результатам исследования и оптимизации решеток 106 Рисунки к разделу 2.3
3. ЧИСЛЕННОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДВУХСТУПЕНЧАТОЙ ТНД ПРИ ОДНОСТОРОННЕМ И
ПРОТИВОПОЛОЖНОМ ВРАЩЕНИИ ЕЕ РОТОРА
3.1. ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТНД С ПРЯМЫМ ВРАЩЕНИЕМ РОТОРА
3.1.1. Газодинамические особенности проточной части двухступенчатой ТНД
с прямым вращением ротора
3.1.2. Анализ ЗБ вязкого течения в СА1 двухступенчатой ТНД с прямым вращением ротора
3.2. ЧИСЛЕННОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТНД С
ПРОТИВОПОЛОЖНЫМ ВРАЩЕНИЕМ РОТОРА
3.2.1. Анализ ЗБ вязкого течения в СА1двухступенчатой ТНД с противоположным вращением ротора
3.2.2. Экспериментальное исследование двухступенчатой ТНД с противоположным вращением ротора
3.2.3. Некоторые выводы по результатам исследования двухступенчатой ТНД
с прямым и обратным вращением ротора
Таблицы к разделу 3
Рисунки к разделу 3
4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
5. ЛИТЕРАТУРА

вниз по потоку от ударной волны повышается. Это приводит к значительному изменению распределения давления по фронту в сечении измерений (а также по обводам профиля) по сравнению с их действительными значениями в невозмущенном потоке. Аналогичная ударная волна перед державкой насадка в положении В не влияет на поле течения в сечении измерений у-у.
Отсюда следует, что измерение полей статического давления за трансзвуковой решеткой на торцевых поверхностях проточной части или по обводам профиля следует проводить только после выведения насадка в положение В, когда ударная волна от державки не искажает действительной структуры сверхзвукового потока на выходе из решетки.
На картину течения за трансзвуковой решеткой сильное влияние оказывает положение выходной направляющей створки 3 (рис. 2.1). В дозвуковых решетках она устанавливается обычно под углом рств 2 Ргэ. Однако в трансзвуковых решетках угол потока за решеткой Р2 может отличаться от эффективного угла Ргэ на 3+5°. Поэтому в случае рств < р2 створка поджимает поток на выходе; в случае рств > Р2 поток за прилегающими межлопаточными каналами переразгоняется (течение вблизи створки напоминает течение с перерасширением в расширяющейся части сопла Лаваля). В обоих случаях течение в прилегающих к створке межлопаточных каналах может существенно отличаться от течения в естественных нестесненных условиях, а периодическая структура потока по межлопаточным каналам значительно искажается: возникает "перекос" параметров потока по соседним межлопаточным каналам.
Для устранения этого явления при исследовании трансзвуковых решеток целесообразно отказаться от применения выходной направляющей створки. В этом случае поток за решеткой можно рассматривать как плоскую свободную струю в затопленном пространстве, которая по структуре и параметрам, по-видимому, близка к реальному нестесненному течению в условиях ступени.