Совершенствование проточной части осевых авиационных турбин при их газодинамической доводке с помощью численных методов газовой динамики

• Автор: Батурин, Олег Витальевич
• Шифр специальности: 05.07.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Самара
• Количество страниц: 240 с. : ил.

Условные обозначения

1 Анализ состояния исследуемого вопроса и постановка задачи

1.1 Обзор технической литературы по современному состоянию авиационных газовых турбин и газодинамическому совершенствованию лопаточных венцов осевых турбин

1.1.1 Особенности работы современных газовых турбин

1.1.2 Пути повышения энергетической эффективности газовых турбин за счет газодинамического усовершенствования проточной части

1Д. Постановка задачи

2 Объекты исследования

2.1 Турбина высокого давления

2.2 Турбина низкого давления

3 Экспериментальное оборудование для исследования лопаточных венцов турбины

3.1 Методы экспериментального газодинамического исследования проточной части турбин
3.2 Установки для экспериментального исследования лопаточных венцов
3.2.1 Стенд для исследования прямых решеток
3.2.2 Стенд для исследования кольцевых и секторных лопаточных венцов
3.3 Приборы для определения параметров потока при исследовании течения газа в осевых турбинах

3.4 Погрешность экспериментального определения измеряемых параметров
4 Применение методов вычислительной газовой динамики для расчетов потока в турбинах
4.1 Методика расчета потока вязкого сжимаемого газа численными методами
4.1.1 Краткий алгоритм численного моделирования газодинамического течения
4.1.2 Основные уравнения
4.1.3 Моделирование турбулентности
4.1.4 Генерация сетки конечных элементов
4.1.5 Граничные условия
4.1.6 Решение исходных уравнений
4.1.7 Применение методов оптимизации в численных расчетах
4.2 Разработка методики создания расчетных моделей потока в лопаточных венцах осевых авиационных турбин в программных комплексах, основанных на решении уравнений Навье - Стокса
4.2.1 Влияние порядка точности дискретизации на получаемые при расчете значения профильных потерь и угла выхода потока
4.2.2 Влияние типа сетки, числа конечных элементов и модели турбулентности на получаемые в расчете значения профильных потерь
4.2.3 Влияние типа сетки, числа конечных элементов и модели турбулентности на получаемый в расчете угол выхода потока
4.2.4 Влияние масштаба турбулентности на получаемые в расчете значения профильных потерь

4.2.5 Влияние типа сетки, числа конечных элементов и модели турбулентности на распределение условной приведенной скорости по периметру профиля
4.2.6 Методика создания расчетных моделей потока в лопаточных венцах осевых авиационных турбин в программных комплексах, основанных на решении уравнений На-вье - Стокса
4.3 Сопоставление результатов расчетов по разработанной методике с результатами экспериментальных исследований
4.3.1 Расчет течения в решетках с незакрученными лопатками постоянного по высоте сечения
4.3.2 Критериальные параметры для оценки газодинамической эффективности лопаточных венцов рабочего колеса
4.3.3 Расчетное исследование течения газа в кольцевом сопловом аппарате
4.3.4 Получение характеристики ТНД с помощью численных методов газовой динамики
4.4 Обобщение полученных результатов
5 Расчетное исследование влияния скошенной выходной кромки на газодинамическую эффективность профиля неохлаяедаемой турбинной лопатки
5.1 Формирование профилей лопаток турбины со скошенной выходной кромкой
5.2 Используемые расчетные модели, граничные и начальные условия
5.3 Влияние скошенной со стороны корытца выходной кромки на профильные потери в решетке
5.4 Влияние подрезки выходной кромки со стороны спинки

При исследованиях прямых решеток изучается пакет лопаток, имеющих неизменный профиль по высоте и обтекаемых потоком с неизменным углом натекания по высоте лопатки. Измерением давления и температуры потока до и после решетки по шагу, определяются профильные потери в среднем сечении лопаток, в котором при достаточной высоте лопаток нет влияния вторичных течений. Несмотря на то, что в этом случае лопатки исследуются в условиях, далеких от натурных, этот способ широко применяется благодаря своей простоте и надежности получаемых данных по профильным потерям в случае соблюдения всех необходимых условий моделирования [15,16].
Исследование круговых решеток ближе к натурным условиям, но оно реже применяется из-за значительно большей сложности экспериментальной установки, чем в случае исследования прямых решеток. Это объясняется следующими обстоятельствами. Во-первых, необходимо имитировать натурный градиент давления по высоте ПЧ на выходе из решетки, иначе будут нарушены граничные условия. Во-вторых, измерение параметров трехмерного потока сложно и ненадежно, поэтому наряду с траверсированием потока необходимо измерять крутящий момент, возникающий на решетке. С этой целью должны быть установлены балансирно либо исследуемая решетка, либо спрямляющая решетка, стоящая за исследуемой решеткой и обеспечивающая осевой выход потока.
Исследование натурных или модельных турбин. Преимущество этого способа заключается в том, что он позволяет получать характеристики турбины в условиях, близких к натурным, при использовании относительно простых установок, не требующих больших энергетических затрат. Достоверность получаемых характеристик зависит в большей степени от соблюдения требуемых условий моделирования, которые не всегда можно полностью выдержать, особенно при моделировании охлаждаемых турбин [1].
Наиболее достоверные результаты могут быть получены при исследовании натурных турбин в рабочих условиях. Однако в случае испытания турбины в системе двигателя, в силу ряда обстоятельств (вча-