Аэрокосмическая техника высокие технологии и инновации – 2014

Рис.1. Максимальный прогиб х

Для исследования течения потока использовался вычислительный комплекс ANSYS CFX, в основе которого лежат осредненные по Рейнольдсу уравнения Навье-Стокса. Размерность расчетной сетки для одного домена – 100 000 элементов, для всей модели – 500 000 элементов. Применяемая модель турбулентности

для расчета: k–e. Параметр у находился в пределах у 10 . Схо-

димость расчета достигала величины невязок 10 5 за 100 итераций. Граничные условия при расчете задачи: полное давление и полная температура на входе и статическое давление на выходе. Используемый тип осреднения на границах расчетной области между соседними венцами Stage. Контролируемыми параметрами для оценки результатов задачи являлись: степень повышения давления по полным параметрам компрессора к , политропный коэффициент

полезного действия , расход воздуха G и неравномерность рас-

пределения скорости потока по высоте межлопаточного канала на выходе из каждого венца .

где Т2 – температура на выходе из компрессора; Т1 – температура на входе в компрессор; к – показатель адиабаты.

где Саср – осевая скорость в среднем сечении по высоте межлопаточного канала; Сi – скорость в i сечении по высоте межлопаточного канала, z – число расчетныхсечений по межлопаточному каналу.

Для определения использовалось разделение расчетной

модели компрессора на 9 сечений по высоте с шагом 0,1. За каждым венцом на пересечении расчетного сечения и граничной плоскости между двумя соседними доменами считывалась величина осевой составляющей абсолютной скорости потока Сa. Основной задачей являлось задание величины тангенциального навала и выравнивание поля скоростей за каждым венцом.

Оптимизация компрессора осуществлялась путем интеграции ПК ANSYS, специально подготовленного программного кода и пакета многокритериальной оптимизации IOSO NM (рис. 2). В качестве критериев оптимизации выбраны максимизация КПД и минимизация отклонения от средней скорости по высоте пера лопатки .

Ограничения оптимизации: погрешность по расходу на входе и выходе из расчетной области G в пределах от –0,01 до 0,01 %.

где Gвход – расход воздуха на входе в компрессор; Gвыход – расход воздуха на выходе из компрессора.

Рис. 2. Схема алгоритма оптимизации

153

В качестве переменных оптимизации использовались: навал рабочих и направляющих лопаток, закон закрутки через показатель степени m и изменение работы для первой и второй ступени (таблица). В результате исследования тангенциального навала рассмотрено более сотни вариантов конструкций проточной части компрессора, из них выбрана наиболее оптимальная, которая удовлетворяет поставленным задачам (рис. 3).

Результаты оптимизации

аб

Рис. 3. Формы проточной части ОК:

а – исходный вариант модели; б – оптимизированный вариант

154

Параметры исходного и оптимизированного ОК представлены в таблице. Навалы для рабочих и направляющих лопатках указаны как расстояние до точки максимального прогиба в процентах от высоты лопатки. В ходе оптимизации удалось добиться меньшей неравномерности распределения скорости по высоте пера каждой лопатки компрессора (рис. 4). При этом наблюдается небольшое снижение степени повышения давления, что вызвано перераспределением давления вдоль пера лопатки.

Рис. 4. Распределение осевой составляющей абсолютной скорости Са по высоте пера лопатки: - - - - - – исходный вариант;

_______ – оптимизированный вариант ОК

155

На рис. 5 представлены характеристики ОК. Видно, что удалось повысить КПД на 1,5–2 %, что объясняется снижением потерь в проточной части.

Рис. 5. Характеристики компрессора в координатах: степень повышения давления – расход (а) и степень повышения давления – КПД (б):

- - - - - исходный вариант; ______ – оптимизированный вариант ОК

Таким образом, поставлена задача оптимизации осевого компрессора за счет изменения навала и закрутки лопаток. Показано, что изменение навала лопаток позволяет повысить эффективность лопаточного аппарата осевого компрессора. В качестве дальнейшего направления исследования следует рассмотреть различные законы изменения навала лопаток и их влияние на КПД компрессора.

Список литературы

1.Ревзин Б.С. Осевые компрессоры газотурбинных газоперекачивающих агрегатов: учеб. пособие / Урал. гос. техн. ун-т. – Екатеринбург, 2000. – 90 с.

2.Шелковский М.Ю. Параметрическое исследование газодинамических характеристик компрессорных решеток // Авиационнокосмическая техника и технология. – 2012. – №7(94). – С. 11.

3.Старцев В.В., Ревзин Б.С. Газодинамический расчет многоступенчатого осевого компрессора: метод. указания к курсовому проектированию. – Екатеринбург, 2000. – 25 с.

4.Systematic two-dimensional cascade test of NACA 65-series compressor blades at low speeds / J.C. Emery, L.J. Herrig, J.R. Erwin, A.R. Felix. NACA Report 1368, 1958.

156

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ СТЕНД ГТУ КАФЕДРЫ «ТУРБИНЫ И ДВИГАТЕЛИ»

В.А. Седунин, И.С. Елагин, С.А. Серков, С.О. Марущенко, Р.Г. Нутфуллин

Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, Екатеринбург, Россия

Приведено описание компоновки основного оборудования экспериментально-исследовательского стенда ГТУ, проектируемого на кафедре «Турбины и двигатели» Уральского федерального университета, а также основное функциональное описание и назначение стенда в целом. Представлен список измеряемых параметров, диапазон измерения и используемые приборы. Обозначены характерные проблемы организации испытаний.

Повышение эффективности энергетических агрегатов с газотурбинными двигателями, снижение потребления ими топливного газа и загрязнения окружающей среды возможны путем утилизации теплоты отработавших газов.

В настоящее время хорошо изучены и освоены парогазовые установки с утилизацией теплоты отработавших газов за ГТУ в паротурбинном блоке. Самым же простым способом является утилизация части теплоты в утилизационных парогенераторах или в водогрейных теплообменниках.

Альтернативным решением использования теплоты отработавших газов является воздушная теплоутилизирующая турбинная установка (ВТТУ), в которой утилизирующим теплоносителем является воздух, а его охлаждение выполняется окружающей средой. Установки такого цикла пригодны для теплоты уходящих газов выше 500 С в местах, где эксплуатация парового блока неоправданна. Одним из таких примеров могут служить доменные печи, где температура на выходе может достигать 700–800 С, при этом постоянно требуется приток свежего подогретого воздуха.

Другим решением может быть установка, работающая по циклу Ренкина на органическом рабочем теле (так называемый Organic Renkine Cycle – ORC).

157

Описание установки

Для проведения различных испытаний, исследований и лабораторных работ создается экспериментальный стенд, где в качестве основного действующего двигателя будет использован газотурбинный двигатель вспомогательной силовой установки ТГ-16М. Данный стенд предназначен для проведения теплотехнических испытаний ГТУ в рамках образовательной программы по специальности «Газотурбинные, паротурбинные установки и двигатели». Также возможно проведение специальных тепловых испытаний газотурбинной установки и вспомогательного утилизационного блока различного принципа работы, проведение специальных испытаний с целью определения эффективности отдельных узлов двигателя и приводных агрегатов врамкахнаучно-исследовательскойработыкафедры.

Оборудование стенда размещается в двух металлических контейнерах, которые служат для ГТД шумотеплоизолирующим кожухом, а также укрытием. В первом контейнере располагается основное оборудование (ГТД, вспомогательные системы, теплообменник) во втором – щит управления и учебный класс. Оба контейнера устанавливаются параллельно в непосредственной близости друг от друга,

свозможностью перехода из одного в другой через смежные двери в боковых стенах контейнеров. Тем самым обеспечивается возможность беспрепятственногоперемещения внутрипомещения стенда.

Установка ТГ-16 (рис. 1) работает по циклу Брайтона и предназначена для выработки электроэнергии и последующей утилизации горячих выхлопных газов, а также для проведения специальных тепловых испытаний ГТУ. Газотурбинная установка ТГ-16М (см. рис. 1) является вспомогательной силовой установкой (ВСУ) от самолета АН-24 и включает в себя: центробежный компрессор 1

срасходом воздуха около 3 кг/с, осевую одноступенчатую турбину 2, рассчитанную на обороты 35 000 об/мин с температурой за тур-

биной 700 С, редуктор 3, понижающий частоту вращения вала турбокомпрессора до рабочей частоты генератора, и генератор 4. Базовая мощность установки 10 кВт, пиковая – 100 кВт, время непрерывной работы 10 мин.

158

Рис. 1. Общий вид ГТУ ТГ-16М

Вырабатываемая электрическая энергия используется как параметр для измерения мощности ГТУ и не используется сторонним потребителем. Для утилизации электрической энергии используется резистор с водяным охлаждением мощностью 100 кВт.

Для работы утилизационного цикла используется теплообменный аппарат газ-газ (в случае с воздушным утилизационным циклом) или газ-масло (для ORC-установок, где масло является промежуточнымтеплоносителем). Расходырабочих сред: 3 кг/спо каждому из потоков газа, максимальная рабочая температура 800 оС.

Рис. 3. Продольный разрез ГТУ

Длина впускной шахты выбиралась таким образом, чтобы была возможность установить датчик-расходомер, а именно 6–7 диаметров до расходомера и 3 после. Диаметр шахты установлен из условия пропускания двойного расхода газотурбинных установок. Выхлопная шахта ГТД имеет продолжительную длину с возможностью установки различных типов теплообменников для исследования различных утилизационных циклов. Также имеется возможность повышения температуры уходящих газов на всех режимах работы за счет применения камеры дожига, расположенной между выходным диффузором и теплообменником.

Организация измерений

В процессе испытаний предусмотрена возможность измерения следующих параметров ГТУ:

расход циклового и охлаждающего генератор воздуха;

статическое давление на входе в центробежный компрессор

иполное давление на выходе из него, статическое давление за ГТУ

иатмосферное давление;

температура на входе ГТУ, за компрессором, на выхлопе ГТУ, а также температура рабочих жидкостей;

частота вращения вала ГТУ;

напряжение и сила тока на клеммах генератора.

160