Автореферат (Прогнозирование и исследование условий возникновения флаттера рабочих колес компрессоров газотурбинных двигателей и установок на этапе их проектирования)

На правах рукописиМакаров Павел ВячеславовичПРОГНОЗИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙВОЗНИКНОВЕНИЯ ФЛАТТЕРА РАБОЧИХ КОЛЕС КОМПРЕССОРОВГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И УСТАНОВОКНА ЭТАПЕ ИХ ПРОЕКТИРОВАНИЯСпециальности:01.02.06 – Динамика, прочность машин, приборов иаппаратуры05.07.05 – Тепловые, электроракетные двигатели иэнергоустановки летательных аппаратовАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 20121Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии«Научно-производстведственный центр газотурбостроения «Салют».Научный руководитель:доктор технических наук, профессорКолотников Михаил Ефимович,ООО «ДжиИ РУС», начальник отделаНаучный консультант:доктор технических наук, профессорФирсанов Валерий Васильевич,МАИ, заведующий каф.

906Официальные оппоненты:Антуфьев Борис Андреевичдоктор технических наук, профессор,МАИ, профессор каф. 902Коровин Борис Борисовичдоктор технических наук,старший научный сотрудник,ОАО «Летно-исследовательский институтим. М.М.

Громова», начальник лабораторииВедущая организация:Федеральное государственное унитарноепредприятие «Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова»Защита состоится «27» июня 2012 г. в 15:00 на заседании диссертационного совета Д 212.125.05 при ФГБОУ ВПО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)», по адресу: 125993, г. Москва,А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, дом 4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационногоинститута (национального исследовательского университета).Отзыв на автореферат, заверенный печатью организации, просьба направлятьпо указанному адресу в двух экземплярах.Автореферат разослан«24» мая 2012 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.125.05,кандидат физико-математических наукФедотенковГригорий Валерьевич2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы.

В работе рассматривается актуальная научнотехническая проблема прогнозирования флаттера рабочих колес (РК) компрессоров газотурбинных двигателей (ГТД) и установок (ГТУ) на этапе их проектирования. Сам подход к решению рассматриваемой задачи на основе энергетического метода, т.е. оценки направления подвода энергии при обтекании лопаток РК, колеблющихся по собственным формам, относится к числу классических. Однако до настоящего времени решение этой задачи в полной постановкеникем не выполнено из-за больших сложностей в численной реализации данного подхода. Существующие в настоящий момент методы прогнозированияфлаттера с использованием критериальных соотношений, базирующиеся, в основном на результатах обработки и анализа известных случаев возникновенияфлаттера в РК, дают достаточно хорошие прогнозы по возникновению флаттератолько для конструкций РК и параметрах их работы, близких к рассматриваемым, но не обладают общностью и не позволяют надёжно прогнозировать режимы потери устойчивости РК компрессоров другой конструкции на этапе ихпроектирования.

Поэтому, тема диссертации, посвященная решению задачипрогнозирования условий возникновения флаттера на базе энергетическогоподхода к рассмотрению этой проблемы и развитию на базе этого решения методики проектирования компрессоров современных газотурбинных двигателейи установок представляет большой научный и практический интерес и является, безусловно, актуальной.Целью работы является разработка и исследование метода прогнозирования флаттера РК компрессоров в условиях безотрывного обтекания на стадиипроектирования ГТД и ГТУ, базирующегося на энергетическом подходе. Длядостижения поставленной цели в диссертации сформулированы и решены следующие задачи: разработка и обоснование подходов к анализу форм колебаний лопатокРК, по которым наиболее вероятна потеря устойчивости исследуемой ступеникомпрессора; выделение из результатов расчетов стационарного обтекания профилейвсего компрессора на заданном режиме работы изделия при условии их обобщенной периодичности граничных условий для исследуемой ступени; разработка подхода, алгоритма и программы интерполяции перемещенийточек профиля лопатки при её колебаниях по собственным формам на поверхности газодинамических профилей лопаток; разработка алгоритма и программы для решения задачи нестационарногообтекания профилей лопаток исследуемой ступени в течение нескольких периодов колебаний при задании граничных условий из стационарного расчетаполной модели компрессора и перемещений профилей лопаток по форме собственных колебаний с учетом соответствующего сдвига фаз; разработка методик, создание алгоритмов и программных средств длявыделения нестационарной части давления от действующих на профиль лопатки аэродинамических сил на периоде собственных колебаний при установив3шихся параметрах течения; разработка методик, создание алгоритмов и программных средств длявычисления работы нестационарных аэродинамических сил на периоде колебаний лопатки по собственной форме.

При этом, знак вычисленной работы позволит сделать однозначное заключение об устойчивости или неустойчивости исследуемого РК к флаттеру по заданной форме колебаний на расчетном режиме; выполнение исследования влияния параметров численного моделирования на результаты расчета потери устойчивости РК компрессора; отработка методики проведения испытаний компрессоров на флаттер ипроведение верификации полученных расчетных данных об устойчивости РК кфлаттеру по результатам проведенных испытаний; разработка сквозного алгоритма проектирования РК современных компрессоров с учётом разработанного расчётного метода прогнозирования флаттера.Научная новизна.

Научная новизна, выполненных в диссертации исследований и полученных результатов состоит в следующем:1. Разработан, апробирован и верифицирован новый численный метод решения задачи прогнозирования флаттера РК компрессоров, однозначноопределяющий условия возникновения флаттера при безотрывном обтекании рабочих лопаток потоком воздуха. Разработанный метод реализуетвычисление работы нестационарных аэродинамических сил на упругихперемещениях перьев лопаток, рассматриваемых, как трёхмерные тела,совершающие колебания по собственной форме с заданным сдвигом фаз.При этом знак вычисленной работы однозначно определяет отсутствиеили наличие флаттера лопаток рабочего колеса в рассматриваемых условиях.

Разработанный метод интегрирован в процесс проектирования высоконагруженных компрессоров современных ГТД и позволяет на раннихстадиях проекта осуществлять отстройку РК от условий возникновенияфлаттера при работе компрессора на линии рабочих режимах и при егоподжатии в сторону границы устойчивости до появления срывных явлений.2. Установлено, что для корректного определения знака работы аэродинамических сил при интегрировании по поверхности лопатки на периодесобственных колебаний, необходим учет только нестационарной частидавления, т.к. учет полного давления (включая стационарную часть) может привести к ошибочному результату вследствие погрешности, возникающей при вычислении работы.3.

Показано, что для корректного определения условий возникновенияфлаттера в РК, необходимо учитывать вклад всех сечений при определении работы аэродинамических сил на упругих перемещениях лопаток приколебаниях по собственной форме, хотя для бандажированных колёс, длякоторых основной вклад в работу вносится периферийными сечениями наотносительной высоте лопатки, близкой к 90%, в ряде случаев можнопользоваться оценкой знака работы только на этой высоте, что и предлагается рядом исследователей.

Однако, при смещении узловой линии фор4мы колебаний и при рассмотрении других видов конструкций РК, данноесечение не в полной мере определяет потерю устойчивости всего РК, ипоэтому необходим учет вклада работы всех сечений лопатки.4. Доказано, что для достоверного прогнозирования условий возникновенияфлаттера при безотрывном обтекании достаточно использовать модельисследуемой ступени, состоящую из трёх лопаточных профилей, а расчётработы нестационарных аэродинамических сил производить на третьемпериоде колебаний.Все существенные результаты диссертационной работы, выносимые на защиту, являются новыми.Достоверность разработанного метода прогнозирования флаттера РК компрессоров и полученных в диссертации результатов обусловлена использованием современных численных методов и корректностью подходов к решениюзадач аэроупругости, выполненными исследованиями влияния параметров используемых моделей на получаемые результаты и подтверждается успешнойверификацией полученных расчетных данных об устойчивости РК к флаттерупо результатам проведенных испытаний натурных компрессоров на стендахФГУП «НПЦ газотурбостроения «Салют» и ФГУП «ЦИАМ им.