Методы и средства повышения эффективности турбоприводов сверхмалой мощности при начальном проектировании

• Автор: Калабухов, Дмитрий Сергеевич
• Шифр специальности: 05.07.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Самара
• Количество страниц: 231 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДУЕМОГО ВОПРОСА.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1 Анализ публикаций по вопросам повышения эффективности турбоприводов сверхмалой мощности
1.2 Обзор публикаций по экспериментальному оборудованию
для испытаний турбоприводов сверхмалой мощности
1.3 Используемые подходы к численному моделированию
газодинамических процессов в турбоприводах сверхмалой мощности
1.4 Обзор иностранных публикаций по исследованиям ТСММ
1.5 Цель работы и задачи исследования
2 ФОРМИРОВАНИЕ МЕТОДА ВЫБОРА ЗНАЧЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ ОДНОСТУПЕНЧАТЫХ ТУРБИН СВЕРХМАЛОЙ МОЩНОСТИ
В СИСТЕМЕ ТУРБОПРИВОДА
2.1 Метод оптимального проектирования турбин сверхмалой мощности
2.1.1 Проблемы оптимального проектирования ТСММ
2.1.2 Постановка задачи оптимального проектирования
2.1.3 Области наивыгоднейших параметров и компромиссных решений
2.1.4 Используемые методы и алгоритмы численной параметрической оптимизации
2.2 Основные математические модели
2.2.1 Выбор и обоснование критериев эффективности
2.2.2 Выбор оптимизируемых параметров ТСММ
2.2.3 Обоснование и выбор расчетного режима
2.2.4 Параметрические и функциональные условия и ограничения
задачи оптимизации
2.3 Оценка эффективности турбоприводов сверхмалой мощности
на этапе начального проектирования
2.3.1 Влияние режимных и геометрических параметров ТСММ
'• * 1 У'ьмУ 1 'А.................... , , , ' ,

на их энергетическую эффективность
2.3.2 Учет влияния параметров входных и выходных устройств
на эффективность ТПСММ
2.3.3 Оценка эффективности бортового ТПСММ по критерию суммарной массы рабочего тела и турбопривода
2.3.4 Стоимостные критерии эффективности
2.4 Выбор рациональных значений параметров турбин сверхмалой мощности
в условиях неопределенности исходных проектных данных
2.4.1 Влияние неопределенности исходной проектной информации при выборе параметров ТСММ
2.4.2 Метод и алгоритм выбора рациональных значений параметров
и типа ТСММ при структурно-параметрической оптимизации
3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОДНОСТУПЕНЧАТЫХ ТУРБИН СВЕРХМАЛОЙ МОЩНОСТИ ДЛЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА
3.1 Планирование эксперимента при натурных и виртуальных экспериментальных исследованиях турбин сверхмалой мощности
3.1.1 Формирование планов факторного эксперимента
3.1.2 Методика определения диапазонов варьирования факторов
3.1.3 Диапазоны и уровни варьирования
режимных факторов Гт, и фактора масштабности Ом
3.1.4 Диапазоны и уровни варьирования факторами 1гСАЮ{(ср) и £
3.1.5 Диапазон и уровни варьирования геометрическими факторами ЦСТСММ
3.1.6 Диапазоны и уровни варьирования геометрическими факторами ОТСММ
3.2 Экспериментальное определение характеристик
турбин сверхмалой мощности
3.2.1 Объекты экспериментальных исследований
и планирование натурного эксперимента
“ 4 1 ' V
3.2.2 Основные результаты натурных экспериментов
3.3 Численное моделирование газодинамических процессов в турбинах
сверхмалой мощности
3.3.1 Основные требования к расчетным конечно-элементным моделям ТСММ для численных газодинамических исследований
3.3.2 Описание процесса численного моделирования газодинамических процессов в ТСММ
4 ФОРМИРОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ОБЪЕМА И МАССЫ ТУРБИН СВЕРХМАЛОЙ МОЩНОСТИ
4.1 Формирование численно-аналитических
моделей объема и массы турбин сверхмалой мощности
4.2 Анализ влияния режимных и геометрических параметров
на массу турбин сверхмалой мощности
4.3 Удельная масса и габаритные критерии
эффективности турбин сверхмалой мощности
5 АПРОБАЦИЯ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ
5.1 Оценка достоверности и эффективности разработанного метода
5.2 Формирование облика турбопривода коммутирующего
устройства
5.3 Возможные пути дальнейших исследований
в области начального проектирования ТПСММ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Определение параметров плана эксперимента
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Датчики тормозного стенда и погрешности измерения параметров
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Погрешности прямых и косвенных измерений
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Результаты экспериментальных исследований ТСММ
ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Результаты визуализации виртуальной модели структуры
1 ' 1 ■■ :»I, I, ''I . 'I '■ 1. 1 . / л
Критический анализ публикаций по вопросу численного моделирования течений выявил отсутствие в литературе сведений по изучению влияния различных условий и допущений численного моделирования (таких как модель турбулентности, дискретизация расчетной сетки, способы задания граничных условий и т.д.) на его результаты применительно к исследованиям подкласса ТСММ. Отсутствует систематическое изучение влияния ряда режимных и геометрических параметров ТСММ на их эффективность с помощью современных пакетов вычислительной газодинамики, не говоря уже о постановке вычислительного эксперимента на расчетных моделях по многофакторному плану. Поэтому создание базы расчетных моделей ТСММ осевого и центростремительного типов и проведение на этих моделях виртуальных газодинамических исследований представляется актуальной задачей.
1.4 Обзор иностранных публикаций по исследованиям ТСММ Помимо отечественных публикаций был также проанализирован ряд иностранных источников, например [45, 46, 47, 48, 49]. В них описываются расчетно-экспериментальные исследования воздушных и газовых ТСММ в составе турбогенераторных установок. Результаты этих исследований показывают, что максимально достигнутые уровни энергетической эффективности за рубежом заметно ниже, чем у отечественных ученых. Причиной этого может быть практически полное отсутствие работ в направлении математической оптимизации режимных и геометрических параметров ТСММ. Публикации, посвященные вопросам снижения массы и габаритов ТПСММ, в зарубежной литературе не были обнаружены и, вероятно, также отсутствуют.
1.5 Цель работы и задачи исследования В результате обзора публикаций, посвященных повышению эффективности турбоприводов сверхмалой мощности, было выявлено, что в большинстве своем их авторы затрагивали вопросы экспериментальных исследований влияния различных конструктивных параметров ТСММ на их экономичность и совершенст-