Автореферат (Комплексное влияние геометрических и газодинамических параметров на эффективность малоразмерной осевой турбины)

На правах рукописиБарыкин Игорь ЮрьевичКомплексное влияние геометрических и газодинамических параметров наэффективность малоразмерной осевой турбиныСпециальность 05.07.05«Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановкилетательных аппаратов»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква - 2013Работа выполнена в Московском авиационном институте (национальномисследовательском университете) (МАИ)Научный руководитель:доктор технических наук, с.н.сКрылов Борис АнатольевичОфициальные оппоненты:Тимушев Сергей Федоровичдоктор технических наук, профессор,Московский авиационный институт (национальныйисследовательский университет) (МАИ), заведующийкафедрой «Ракетные двигатели»Мухина Светлана Дмитриевнакандидат технических наук,«ОКБ им. А. Люльки» - филиал ОАО «УМПО»,начальник бригады экспериментальных исследованийотдела 2400Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие«Научно-производственный центр газотурбостроения «САЛЮТ»Защитасостоится18ноября2013 г.

в15:00 часов на заседаниидиссертационного совета Д212.125.08, созданного на базе Московского авиационногоинститута (национального исследовательского университета) (МАИ) по адресу:125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационногоинститута (национального исследовательского университета) (МАИ).Автореферат разослан «___» _________ 2013 г.Ученый секретарьдиссертационного совета,д.т.н., проф.2Зуев Юрий ВладимировичОбщая характеристика работы.Актуальность темы. Осевые турбины с полным подводом различнойразмерности применяются во многих отраслях народного хозяйства, в силовыхустановках летательных аппаратов (в том числе в беспилотных летательныхаппаратах (БПЛА)) в качестве главных двигателей, а также для привода агрегатов ивспомогательного оборудования.Создание ГТД новых поколений требует и новых подходов к проблеме созданияэффективных турбин и учет особенности их применения.В связи с вышесказанным, актуальна задача созданиятранспортных,энергосиловыхэффективности,сокращениеустановок,расходаобеспечивающих:топлива,снижениеперспективныхповышениематериалоемкости.Коэффициент полезного действия (КПД) турбины зависит от большого числагеометрических и газодинамических параметров, в том числе от величин радиальныхзазоров и от наличия или отсутствия бандажа на рабочем колесе ступени, чтоособенно важно для малоразмерных турбин.Потери от радиального зазора зависят от ряда факторов и влияние их взаимно,но большинство работ учитывает влияние только радиального зазора, а комплексноевлияние ряда основных влияющих параметров практически, ни кем не показано.Установка бандажа на рабочее колесо (РК) турбины повышает ее КПД, принятиерешения об установке бандажа на РК турбины определяется правильностью учета еговлияния на потери КПД, геометрию турбины и прочностными соображениями.Поэтому проблема нахождения способа сопоставления осевых турбин с РК сбандажом и без бандажа при полном подводе актуальна, но нет способасопоставления, позволяющего заложить модели потерь на ранней стадии длябыстрого проектирования турбин.Механизмы формирования потерь в турбинах с РК с бандажом и без бандажасильноразличаются,чтозатрудняетихсопоставление.Вследствиеэтогоцелесообразно разработать метод сопоставления турбин с РК с бандажом и турбин сРК без бандажа при полном подводе с учетом основных влияющих параметров(высота лопатки h, средний диаметр Dср, углы α, β, зазоры).

Основное внимание вдиссертации уделено неохлаждаемым активным малоразмерным осевым турбинам сполным подводом с РК с бандажом и без бандажа.Цель работы: Разработать методику сопоставления потерь КПД осевых3неохлаждаемых турбин с полным подводом с РК с бандажом и с РК без бандажа сучетом взаимного влияния основных параметров.Основные задачи работы:1) найти обобщающий метод расчета потерь КПД от радиальных зазоров (δ r) втурбинах с РК без бандажа при полном подводе (ε=1) при изменении основныхвлияющих параметров (Dср, h, α1, β, осевые зазоры (δ1));2) найти обобщающий метод расчета потерь КПД от δr в турбинах с РК сбандажом при ε=1 с учетом влияния основных параметров (Dср, h, α1, β, δ1) и ихвзаимного влияния и провести коррекцию имеющихся расчетных формул;3) найти обобщающий метод расчета потерь КПД от δr в турбинах с РК сбандажом при парциальном подводе (ε<1) с учетом влияния основных параметров(Dср, h, α1, β, δ1) и их взаимного влияния и провести коррекцию имеющихсярасчетных формул;4) разработать метод сопоставления потерь КПД осевых неохлаждаемых турбинс РК с бандажом и с РК без бандажа при ε=1 и сравнить его с известным методомЦИАМ.5) построить уравнения регрессии для турбин с РК с бандажом и с РК безбандажа при постоянных высотах лопаток и построить обобщающие зависимостипотерь КПД для турбин с РК с бандажом и с РК без бандажа, показывающиеизменение потерь в турбине и ее конструктивное оформление.Научная новизна:показана неточность сопоставления турбин с РК с бандажом и с РК без, только поотносительной площади радиального зазора.проведена корректировка имеющихся расчетных математических зависимостейдля расчета потерь КПД турбин с РК с бандажом от зазоров и ряда параметровпри полном (ε=1) и парциальном (ε<1) подводах.предложен метод сопоставления турбин с РК с бандажом и без бандажа при ε=1по двум параметрам (1-потеря КПД, 2-комплексный обобщенный параметр прив). построены зависимости позволяющие проводить сопоставления потерь КПДтурбин с РК с бандажом и турбин с РК без бандажа при полном подводе с учетомосновных влияющих параметров и их взаимного влияния.Практическая значимость: предлагаемый метод сопоставления потерь в турбинах с РК с бандажом и без, при4ε=1, при комплексном учете влияния зазоров и основных параметров, позволяетболее полно учесть влияние наличия или отсутствия бандажа на РК припроектировании турбин на потери КПД (∆ ) и на относительный приведенныйпараметр (прив); полученный материал расширяет представление о процессах, происходящих втурбинах; полученныерезультатымогутиспользоватьсявдвигателестроительныхконструкторских бюро, НИИ промышленности, МО РФ, в ВУЗах.Достоверность результатов диссертационной работы обеспечена корректнымприменением современного математического аппарата, постановкой дополнительныхрасчетных опытов, корректной статистической обработкой имеющихся данных.Все полученные результаты теоретически и экспериментально обоснованы, а ихдостоверность подтверждена: сходимостьюаналитическихрешенийпоставленныхнаучныхзадачсрезультатами экспериментов, полученными в опытах ряда авторов; метрологическими возможностями оборудования; соблюдением правил составления и тестирования вычислительных программ.На защиту выносятся: результаты расчетно-экспериментальных исследованийвлияния на потери КПД ряда геометрических и газодинамических параметров.Апробация работы и публикации.

Материалы, изложенные в диссертации,докладывались и обсуждались на конференции и опубликованы в тезисах докладов исообщений. По материалам диссертации опубликованы 3 научные работы врецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК.Личный вклад автора. Основные результаты диссертации получены принепосредственном участии автора в качестве исполнителя на этапах расчетноэкспериментальных исследований, при решении конкретных задач, проведениичисленных экспериментов, в обработке, анализе и обобщении имеющихся данных,подготовке печатных работ по результатам исследований.Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырехглав, выводов, списка использованных источников. Содержит 120 страниц, включаяразмещенные в тексте 34 рисунка и 8 таблиц.5Содержание работыВо введении описаны причины выбора малоразмерных турбин в качествеобъекта исследования, приведены их особенности и отличия от полноразмерныхтурбин. Из-за малых размеров, осевые малоразмерные турбины (Ne=10…100 кВт) имикротурбины (Ne=0,01…10 кВт) характеризуются повышенными значениямиотносительных конструктивных зазоров, радиальных, осевых (периферийных,боковых, корневых), а поэтому потери, связанные с расходными процессами вотмеченных зазорах, очень существенны, в них теряется не только частьработоспособного газа, но под влиянием этой утечки меняются структура иэнергетика основного потока.

Для упрощения восприятия рассмотренного вопроса,схемы абстрактных ступеней турбин с обозначениями основных конструктивныхпараметров приведены на рис. 1.а,б (а- турбина с РК без бандажа, б - турбина с РК сбандажом).Рис. 1. Схемы проточных частей ступеней с обозначением основных конструктивныхпараметров.1) Сопловой аппарат (СА), 2) РК, 3) гиперболоид за СА с 1>7, безкорпуса и РКПо рабочему процессу малоразмерные турбины аналогичны полноразмернымтурбинам, но есть ряд особенностей: малая относительная высота лопаток, развитыевторичные течения, наличие зон отрыва потока, большая относительная толщинакромок, сильное влияние шероховатости, осевого δ1 и радиального δr зазоров.На потери от δr влияет много факторов.∆ = [, , , , … , ℎ , ℎ , , 1 , 1 , 2 , , 1 , бандаж, перекрыша] (1)6Если выделить основные режимные, геометрические факторы осевой турбины,влияющие на потери (∆ ) от δr видно, что ∆ есть функция многих переменных.Проведенныемногочисленныеисследованиярядаавтороврасширилипредставления о механизмах явлений, происходящих в δr РК с бандажом и без.Известно, что через кольцевое сечение, соответствующее δr, происходит перетеканиегаза, обусловленное разностью давлений до и после РК и скоростным напором.

Втурбине без бандажа в результате вторичного перетекания газа с вогнутойповерхности рабочих лопаток на выпуклую, что уменьшает разность давлений налопатку в периферийной части, снижается аэродинамическая сила в концевой частилопатки и работа ступени. В результате взаимодействия этого течения с основнымпотоком у концов лопаток со стороны выпуклой поверхности сходят вихревыешнуры. В зоне вихрей потери в решетке и угол выхода потока в относительномдвижении значительно возрастают, а КПД турбины существенно снижается.Лопатки РК отклоняют основной поток газа, а в δr аналогичных преград нет.Однако поток газа в δr в результате взаимодействия с основным потоком ивторичными течениями, а также вследствие трения о кольцевую периферийнуюповерхность и воздействия продольного и поперечного градиентов давлениймежлопаточного канала также разворачивается в направлении, противоположномвращению РК.

Вследствие этого в пристеночных сечениях угол потока α2δ близок квеличине угла α2 в периферийных сечениях за турбиной.Прошедший через δr газ не совершает работы, плотность его оказывается большеплотности за РК. Относительная утечка через δr с учетом кольцевой площади δrстановится больше величины относительного радиального зазора = /ℎрк .Для турбин с РК с бандажом, при малых периферийных осевых зазорах (1п )утечкапроисходиттолькоподдействиемперепададавленияприпотерикинетической энергии потока, входящего в δr.