Аэрокосмическая техника высокие технологии и инновации – 2014

Рис. 2. Сегмент конструкции:

1, 2 – области для газодинамического расчета; 3 – область для расчета теплообмена в твердотельной конструкции

Для объединения решения газодинамического расчета и расчета теплообмена задан интерфейс на сопряженных сторонах расчетных областей.

В результате расчета были получены поля температуры, давления и скорости в различных плоскостях и сечениях. Распределение поля температуры в термоэлектрических модулях и радиаторе охлаждения представлено на рис. 3, значения температуры возрастают в направлении течения продуктов сгорания. Максимальное значение составило 936 К, минимальное – 839 К.

Рис. 3. Распределение поля температуры по поверхности термоэлектрических модулях и радиаторе охлаждения

201

Температура продуктов сгорания внутри полой конструкции (рис. 4) понижается по мере отдаления от центра к стенкам. Максимальное значение– 1084 К, минимальное– 840 К.

Рис. 4. Температура продуктов сгорания

Результаты полученных численных расчетов подтверждают физичность и адекватность модели. Температура на горячей стенке равна 887,2 К и близка к оптимальной (773 К), однако температура на охлаждающих радиаторах слишком высока 936–839 К (при оптимальной 400 К). При этом температура возрастает в направлении течения продуктов сгорания. Данные значения температур обусловливаются режимами подачи продуктов сгорания, интенсивностью системы охлаждения радиаторов, а также образованием избыточного давления на выходе из горячего корпуса.

В целях получения значений температур, близких к оптимальным, в дальнейшем планируется провести численный эксперимент с уточненными режимами подачи продуктов сгорания.

Список литературы

1.Писарев П.В., Модорский В.Я., Соколкин Ю.В. Решение междисциплинарных задач на примере взаимодействия струи горячего газа с металлической преградой // Механика и процессы управления.: материалы XXXXI Всерос. симпозиума. – М.: Изд-во РАН, 2011. – Т. 1. – С. 123.

2.Численное моделирование взаимодействия в динамической системе «газ – конструкция»/ П.В. Писарев, Д.В. Зимин, В.Я. Модор-

202

ский, Ю.В. Соколкин // Механика и процессы управления: материалы XXXXI Всерос. симпозиума. М.: Изд-во РАН, 2011. – Т. 1. – С. 127.

3. Писарев П.В., Модорский В.Я., Зимин Д.В. Особенности разработки параллельных приложений по расчету газодинамических характеристик энергетических установок на ВВК ПГТУ // Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации-2009: материалы XII Всерос. науч.-техн. конф., 2009. – С. 226.

РЕЗУЛЬТАТЫ ВЕРИФИКАЦИИ ТУРБИНЫ ВЫСОКОГО И НИЗКОГО ДАВЛЕНИЙ СОВРЕМЕННОГО ПЕРСПЕКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ

В.Т. Хайрулин, А.С. Тихонов, Н.Ю. Самохвалов

ОАО «Авиадвигатель», Пермь, Россия

e-mail: khairulin@avid.ru, tikhonov@avid.ru, samohvalov@avid.ru

Проведена оценка интегральных и локальных параметров турбин высокого (ТВД) и низкого (ТНД) давлений перспективного авиационного двигателя методом трехмерного численного моделирования в пакете ANSYS CFX. Использовались высокодетализированные модели ТВД и ТНД с присоединенными полостями и переходным каналом. Численный анализ проводился в стационарной и нестационарной постановках с использованием BSL- и SST-моделей турбулентности. Полученные расчетные данные верифицированы по результатам испытаний турбин. Выполнена оптимизация существующих конструкций. Данная модель взята за основу ряда работ по повышению ключевых параметров как отдельных деталей турбины, так и узла в целом.

Улучшение экономических и ресурсных характеристик является ключевыми и приоритетными направлениями развития и создания современных конкурентоспособных гражданских авиационных двигателей. Вместе с тем некоторые важнейшие характеристики основных узлов, такие как расход газа, крутящий момент на роторе, эффективность узла в целом, не поддаются экспериментальной оценке

203

в условиях работы двигателя. Эти характеристики могут быть получены только на специализированных установках для оценки параметров отдельных узлов, что является только косвенной оценкой работоспособности узла при работе в двигателе. Современные численные методы позволяют провести оценку достоверности полученных экспериментальных данных и дать их качественную оценку, что позволяет исключить ошибки, возможные при проектировании новых продуктов, а также снизить их себестоимость.

Основной задачей данной работы является проведение численного моделирования газодинамических процессов в ТВД и ТНД с целью верификации экспериментальных данных, полученных по результатам проведенных испытаний.

Описание проблемы и численной модели

Объектом исследования являются ТВД и ТНД современного перспективного авиационного двигателя. Для верификации экспериментальных данных смоделированы ТВД и ТНД с учетом всех особенностей геометрии, в том числе присоединенные полости под дисками, лабиринтные уплотнения, аппарат закрутки, система охлаждения лопаток, а также переходныйканал между ТВДиТНД(рис. 1).

С учетом замеренных монтажных зазоров, а также радиальных перемещений деталей ротора и статора выбраны радиальные зазоры статорных роторных деталей ТВД и ТНД. Шероховатость лопаток выбрана по результатам замера после проведения стендовых испытаний двигателя

Численный анализ проводился с помощью трехмерной методики расчета в стационарной и нестационарной постановках, основанных на решении нестационарной системы осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье–Стокса методом конечных объемов с неявным алгоритмом интегрирования в коммерческом пакете ANSYS CFX 14.5. Суммарная размерность сеточной модели расчетной области ТВД ≈ около 265 млн элементов, ТНД ≈ 312 млн элементов.

204

а

б

Рис. 1. Общий вид расчетной области ТВД (а) и ТНД (б) с переходным каналом

В качестве граничных условий (поля полной температуры и давления) использовались экспериментальные данные, полученные по результатам замера параметров газа в тракте и присоединенных полостях ТВД и ТНД во время проведения испытаний. В качестве граничных условий в присоединенных полостях турбины принимались значения статических давлений и температуры, замеренных в двигателе в процессе испытаний. Общий вид схемы препарирования ТВД и ТНД представлены на рис. 2.

Для расчета были выбраны BSL и SST модели турбулентности

[1, 2 , 3, 4].

205

а

б

Рис. 2. Общий вид схемы препарирования ТВД (а) и ТНД (б)

Результаты численного анализа и сравнение с экспериментальными данными.

Анализ результатов верификации ТВД

Проведен сравнительный анализ результатов численного моделирования ТВД с экспериментальными данными, полученными при испытаниях двигателя. Результаты замера статической температуры на периферии СЛ1 хорошо соотносятся срасчетными данными.

206

Температура газа в полости между 1СЛ и 1РЛ ТВД существенно ниже при стационарном численном моделировании, что говорит о затекании в зазор горячего газа в эксперименте. Данный эффект можно наблюдать при нестационарной постановке [5].

Расчетная эпюра полного давления на 2СЛ ТВД хорошо попадает в разброс показаний экспериментальных данных на различных лопатках, при этом характер распределения по высоте канала соответствует эксперименту. Анализ замеров статического давления на входе в 2СЛ ТВД показывает хорошее соответствие эксперимента и расчета как по корню, так и по периферии. Среднее отклонение расчетного статического давления газа от замеренного по тракту ТВД не превышает 5 %.

Расчетный и замеренный перепад полного давления на первой ступени хорошо совпадают, при этом наблюдается завышение перепада полного давления в эксперименте по второй ступени ввиду завышения показаний замеров полного давления, установленных на входных кромках обтекателей (рис. 3). Для анализа этого явления проведен нестационарный расчет 2РЛ ТВД со стойкой переходного канала, который показал наличие зон торможения потока, приводивших к завышению показаний замеров относительно сред- не-площадного значения и уменьшению локального перепада на 2РЛ ТВД в этих местах. При численном моделировании в стационарной постановке данное явление не наблюдалось.

Рис. 3. Зона локального повышения давления за 2РЛ ТВД по результатам нестационарного расчета

207

Для уменьшения влияния стойки переходного канала на работу 2РЛ ТВД был перепроектирован переходный канал ТВД и ТНД (перепрофилирована, наклонена и отодвинута от 2РЛ ТВД стойка переходного канала), что позволило уменьшить потери стойки и увеличить КПД ТВД на 0,2 %.

Анализ результатов верификации ТНД

В качестве граничных условий для верификации ТНД использовались измеренные значения параметров потока, полученные по результатам испытаний двигателя.

Расчетная эпюра полного давления на выходе из ТНД достаточно хорошо попадает в разброс показаний экспериментальных данных на различных лопатках, при этом характер распределения по высоте канала соответствует эксперименту.

Характер расчетной эпюры температуры на выходе из ТНД по высоте канала также хорошо соответствует эксперименту, однако имеет место завышение расчетных значений температуры относительно среднего значения замера по гребенкам на величину от 10 до 20 С. Данное явление связано с существенной окружной неравномерностьюполя температурынавыходе из камерысгорания.

Сравнение замеренных и расчетных давлений по тракту показало наличие максимальных отклонений расчетных значений от экспериментальных, не превышающих 4,5 %.

Оптимизация конструкции

По результатам трехмерного анализа была проведена оптимизация конструкции ТВД, а именно:

–оптимизирована конструкция лабиринтного уплотнения промежуточного диска (КПД ТВД +0,1 %);

–оптимизирована конструкция системы охлаждения 1СЛ ТВД (снижение температуры выходной кромки лопатки в среднем на

20 градусов) [6, 7];

–оптимизирована конструкция системы охлаждения 1РЛ ТВД (снижение температуры торца на 20 градусов, снижение температуры полки на 50–80 градусов);

208

–перепроектирован переходный канал ТВД и ТНД (уменьшено влияние стойки на 2РЛ ТВД, КПД ТВД +0,2 %);

–оптимизация аппарата закрутки (увеличения угла закрутки) позволила увеличить крутящий момент на первой ступени ТВД.

Внедрение комплексных мероприятий по оптимизации конструкции ТВД позволило увеличить КПД ТВД на 0,3 % по сравнению с исходным вариантом.

Выводы

По результатам проведенного сравнительного анализа расчетных моделей с экспериментальными данными подтверждена высокая эффективность турбин высокого и низкого давления в составе двигателя – уровень их КПД составил более 92%. Проведенный комплекс мероприятий по доводке существующей конструкции ТВД – оптимизация конструкции лабиринтного уплотнения промежуточного диска, стойки переходного канала и системы охлаждения 1СЛ и 1РЛ ТВД позволили увеличить расчетный КПД ТВД на 0,3 %, уменьшить себестоимость изготовления элементов задней опоры ТВД и увеличить циклический ресурс лопаток по сравнению с исходным вариантом.

Список литературы

1.Menter F.R. Influence of Freestream Values on k-ω Turbulence Model Predictions // AIAA Journal. – 1992. Vol. 30. – No. 6. – P. 1657–1659.

2.Menter F.R. Zonal Two Equation k-ω Turbulence Models for Aerodynamic Flows // AIAA 93-2906. 24th Fluid Dynamics Conference. July 6-9, 1993. – Orlando, Florida, 1993.

3.Baldauf S., Schulz A., Wittig S. High-Resolution Measurements of Local Effectiveness From Discrete Hole Film Cooling // Journal of Turbomachinery. – 2001. – Vol. 123. – P. 758–765.

4.Correlation of Film Cooling Effectiveness from Thermographic Measurement at Engine Like Conditions. GT2012-30180 / S. Baldauf, M. Scheurlen, A. Schulz, S. Wittig // Proceedings of ASME Turbo Expo 2002. June 3-6, 2002. The Netherlands, 2002. Amsterdam.

209

5.Murari S., Sunnam S., Liu J.S. Steady State and Transient CFD Studies on Aerodynamic Performance Validation of a High Pressure Turbine. GT2012-68853 // Proceedings of ASME Turbo Expo 2012. June 11–15. Copenhagen, Denmark, 2012.

6.Аэродинамическое и тепловое проектирование трактовых поверхностей горячей части турбины современного газотурбинного двигателя / А.С. Тихонов, Н.Ю. Самохвалов, С.И. Сендюрев, С.В. Бажин // Вестник двигателестроения. – 2012. – №2. – С. 99–104.

7.Иноземцев А.А., Сендюрев С.И. Исследование и проектирование систем охлаждения сопловых лопаток высоконагруженных газовых турбин // Тяжелое машиностроение. – 2010. – № 9. – С. 2–4.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИНТЕРМЕТАЛЛИДА NI3AL, ПОЛУЧЕННОГО SPS-МЕТОДОМ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ АКТИВАЦИЕЙ

1Л.И. Шевцова, 2В.И. Мали, 3М.А. Корчагин, 1Д.В. Лазуренко

1Новосибирский государственный технический университет, Новосибирск, Россия

2Институт гидродинамики им. Лаврентьева СО РАН, Новосибирск, Россия

3Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН, Новосибирск, Россия

e-mail: edeliya2010@mail.ru, vmali@mail.ru, korchag@solid.nsc.ru, pavlyukova_87@mail.ru

Исследованы структура и механические свойства интерметаллида Ni3Al, полученного по технологии искрового плазменного спекания (SPS) предварительно механоактивированных порошков никеля и алюминия микронного размера, а также порошковых смесей, состоящих из наноразмерных частиц. Относительная плотность всех спеченных образцов составила 95–97 %. Высокий уровень микротвердости (6540 МПа) материала, полученного в результате SPS-спекания механически активированных нанопорошков Ni и Al, обусловлен малым размером зерна алюминида никеля и присутствием мелкодисперс-

210