книги / Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Т. 2 Компрессоры. Камеры сгорания. Форсажные камеры. Турбины. Выходные устройства

фективного профиля. Вместо диаметров входной и выходной кромок могут быть использованы эл­ липсы, целесообразность использования которых будет показана в дальнейшем.

Если диапазон управления формой кривых, образующих профиль, окажется недостаточным для его оптимизации, реализуется переход на второй уровень управления формой кривых ко­ рыта и спинки. На этом уровне в диалоговом ре­ жиме корректируется положение промежуточ­ ных узлов образующего многогранника. Количе­ ство «узлов» зависит от количества участков кривых Безье, из которых «склеена» спинка (2-3) или корыто (1-2) профиля.

На рис. 8.46 корыто профиля состоит из одно­ го, а спинка - из двух участков. Входная кромка тоже описана полиномом Безье. Перемещаются все узлы, за исключением узлов с номером 0 (5). Часть узлов перемещается свободно, часть - только вдоль прямых линий (что позволяет со­ хранить углы и другие общие геометрические ха­ рактеристики решетки). При этом в программе профилирования автоматически вычисляется но­ минальное положение промежуточных узлов многогранников обеспечивающие гладкое про­ текание кривизны.

8.2. Аэродинамическое проектирование турбины

Данная двухуровневая система управления процессом профилирования позволяет создавать турбинные решетки с высоким аэродинамиче­ ским качеством, при обеспечении прочностных и конструктивных ограничений.

После проектирования и оптимизации всех ба­ зовых профилей осуществляется построение ло­ паточного венца (рис. 8.47). По спрофилирован­ ным базовым сечениям с помощью специального алгоритма формируется внешняя поверхность ло­ патки. В результате образуется точечно-заданная поверхность, которая является геометрической моделью поверхности лопаточного венца.

Программа позволяет изгибать спроектиро­ ванную лопатку или отдельные ее части в различ­ ных направлениях, смещать вдоль проточной части и поворачивать вокруг оси на необходи­ мый угол.

При построении венца базовые профиля мо­ гут быть несколько деформированы, и это долж­ но учитываться на следующей итерации проек­ тирования.

Гибкость применяемого метода построения профиля играет важнейшую роль в получении профиля, характеристики которого удовлетворя­ ют требованиям проекта. От этой гибкости непо­ средственно зависит количество итераций по­ строения геометрии, которые будут использова­ ны, и иногда даже сама возможность получения требуемых характеристик.

8.2.7. Одномерное проектирование турбины

Как отмечено выше, правильные решения на этапе одномерного проектирования определяют конкурентоспособность турбины в течение всего жизненного цикла. Кроме того, эти решения пре­ допределяют подавляющую часть стоимости

товерности проведенных оценок, иначе дальней­ шие сравнения и выводы могут не иметь реаль­ ной основы.

8.2.7.3. Аэродинамическое проектирование и КПД турбины

Схема пропроцесса одномерного проектиро­ вания турбины показан на рис. 8.51.

Детальное аэродинамическое проектирование на среднем диаметре заключается в выборе опти­ мального распределения удельной работы и ре­ активности по ступеням для предварительно выбранных осевых и диаметральных размеров проточной части. В процессе оптимизации до­ пустима корректировка любых размеров.

Целью оптимизации является выбор сочетания параметров, обеспечивающих минимальную ве­ личину прямых эксплуатационных расходов.

Примерная схема определения КПД турбины

водномерном аэродинамическом расчете для ти­ пичных ступеней (одноступенчатой охлаждаемой ТВД с высоким отношением давлений и для одной из ступеней неохлаждаемой многоступенчатой ТНД) приведена в табл. 8.1. Из таблицы следует, что главную роль в определении КПД играют поте­ ри энергии в проточной части турбины. Они вклю­ чают потери кинетической энергии потока газа

влопаточных венцах и потери мощности (КПД) из-за функционирования системы охлаждения.

Следует иметь в виду, что оптимальные пара­ метры не могут быть окончательно выбраны в одномерном расчете, так как одномерная мо­ дель только с определенной степенью приближе­ ния отражает реальные процессы в турбине.

8.2.8. Аэродинамическое проектирование лопаточных венцов

Общая схема процесса

Общая схема процесса проектирования лопа­ точных венцов представлена на рис. 8.52.

Содержание процесса проектирования венца

Предварительная аэродинамическая оптими­ зация лопаточной решетки в 2Б-постановке про­ водится непосредственно в программе профили­ рования в диалоговом режиме по распределению приведенной адиабатической скорости (или ста­ тического давления) по обводам профиля. Обте­ кание решетки оценивается моделированием по 2Э-Эйлеру (моделированием сжимаемого дозву­ кового, трансзвукового и сверхзвукового потока в решетке по уравнениям Эйлера для невязкого потока).

Критериями оптимального распределения скорости являются:

- обеспечение относительно низких (на уров­ не, близком к средней приведенной скорости на

входе в решетку) значений приведенной скорости на начальном участке профиля спинки (непосред­ ственно после окончания разгона потока на вход­ ной кромке от точки торможения). Наиболее эффективным средством для этого является отри­ цательный угол атаки (разница между конструк­ тивным углом и углом потокана входе в решетку);

- равномерное ускорение потока до точки максимальной скорости вблизи или за точкой горлового сечения межлопаточного канала;

- плавное торможение потока от точки мак­ симума скорости на спинке до выходной кромки (оптимальный темп снижения приведенной ско­ рости составляет 0,05...0,10 на 10 % периметра профиля). Очевидно, что чем меньше этот темп, тем лучше. Значительные отрицательные гради­ енты скорости на спинке (в пределе переходящие в скачки уплотнения) могут привести к отрыву потока и значительному увеличению потерь;

- минимально возможная степень перерасширения потока на спинке (отношение макси­ мальной скорости к средней скорости на выходе

из решетки). Приемлемым уровнем перерасширения на практике можно считать 1,05... 1,20;

-исключение местных всплесков скорости

вместе схода потока с окружности входной кром­ ки на спинку и корьгго после разгона от точки тор­ можения. Эти всплески оказывают неблагоприят­ ное влияние на развитие пограничного слоя и спо­ собствуют увеличению местных коэффициентов теплоотдачи от газа к корыту лопатки.

Уровень этих местных всплесков может быть снижен уменьшением диаметра входной кромки (около 0,6 мм в современных ТНД) или перехо­ дом к описанию входной кромки не окружно­ стью, а эллипсом.

Помимо этих общих критериев, необходимо иметь в виду частные случаи проектирования:

-в случае появления зоны сверхзвуковых скоростей на спинке целесообразно максимально снизить как общий уровень сверхзвуковых ско­ ростей, так и протяженность этой зоны, даже за счет некоторого повышения уровня скоростей

вначале спинки;

-для охлаждаемых лопаток целесообразно добиваться исключения или снижения местных забросов скорости в начале корыта, так как это способствует увеличению местных коэффициен­ тов теплоотдачи от газа;

-для лопаток последних ступеней авиацион­ ных турбин может быть существенным влияние числа Рейнольдса на полетных режимах. Поэто­ му целесообразно исключать значительные гра­ диенты потока в конце спинки (характерные для так называемых задненагруженных профилей), которые имеют тенденцию к отрыву потока при уменьшении числа Рейнольдса.

Однако целевое распределение скорости в двумерной постановке при проектировании се­ чений может отличаться от вышеизложенного, так как эта задача является промежуточной. Рас­ пределение скорости в сечении должно быть та­ ковым, чтобы оптимальное распределение имело место в окончательной постановке - многосту­ пенчатом расчете по 3D-модели (Эйлера или На-

вье-Стокса). Характер изменения распределения скорости при переходе от двумерной к простран­ ственной постановке не может быть универсаль­ ным и определяется опытным путем.

На следующем этапе спроектированная ре­ шетка оценивается на уровень потерь (кинетиче­ ской энергии или полного давления), на чувстви­ тельность к углу атаки (к изменению угла атаки на входе) и изменению режима работы по числу Маха. Последние характеристики очень важны для многорежимных турбин (ТНД и СТ). Моде­ лирование проводится по 2Б-Навье-Стоксу (мо­ делирование вязкого потока в решетке по уравне­ ниям Навье-Стокса). Помимо изменения уровня потерь и его изменения с числом Маха и углом атаки, оценивается вероятность отрыва потока на профиле (рис. 8.53).

2Б-аэродинамическое проектирование явля­ ется основой в получении эффективной аэроди­ намики турбины. Как уже говорилось, необычай­ ную важность имеет наличие гибкого и эффек-