Шарова, Наталья Анатольевна. Разработка принципов построения оптимального газогенератора малоразмерного авиационного газотурбинного двигателя

Краткое описание

Шарова, Наталья Анатольевна. Разработка принципов построения оптимального газогенератора малоразмерного авиационного газотурбинного двигателя : диссертация ... кандидата технических наук : 05.04.12 / Шарова Наталья Анатольевна; [Место защиты: С.-Петерб. гос. политехн. ун-т].- Санкт-Петербург, 2010.- 130 с.: ил. РГБ ОД, 61 11-5/223

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
На правах рукописи
04201007785
Шарова Наталья Анатольевна

РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОГО ГАЗОГЕНЕРАТОРА МАЛОРАЗМЕРНОГО АВИАЦИОННОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
Специальность 05.04.12 — Турбомашины и комбинированные
турбоустановки
т
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель - доктор технических наук, профессор
В.А.Рассохин
Санкт-Петербург - 2010

ОГЛАВЛЕНИЕ
?
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ 5
ВВЕДЕНИЕ 10
ГЛАВА 1. Состояние вопроса. Обзор и постановка задачи 13
1.1 Основы концепции универсального газогенератора
для газотурбинных двигателей 13
1.1.1 Обзор программ 13
1.1.2 Типоразмеры и поколения авиационных МГТД 16
1.2 Обоснование и выбор показателей и характеристик газогенератора ... 22
1.3 Требования к конструкционным материалам 23
1.3.1 Общие положения 23
1.3.2 Формирование требований 24
1.4 Цели исследования и постановка задачи 28
ГЛАВА 2. Принципы построения универсального газогенератора 31
2.1 Выбор границ изменения термодинамических параметров 31
2.2 Научные аспекты создания универсального газогенератора для малоразмерных газотурбинных двигателей 32
2.3 Формирование принципов построения универсального газогенера¬тора для малоразмерных газотурбинных двигателей 38
2.4 Выбор базовой модели для оптимизации универсального газогене¬ратора 42
2.5 Характеристики узлов газогенератора 47
ГЛАВА 3. Структура и математическая модель универсального газоге¬нератора авиационных ГТД 49
3.1 Возможные тепловые схемы двигателей 49
3.1.1 Структура универсального газогенератора 51
3.1.2 Система автоматического управления и контроля ГТД 52

' з
3.2 Реализация программного комплекса многорежимной оптимизации- универсального газогенератора в составе авиационного двигателя 54
3.2.1 Иерархическая модель универсального газогенератора 54
3.3. Математическая модель вычислительного процесса и постановка
задачи многорежимной оптимизации газогенератора 60
3.4 Последовательность основных уравнений, по которым ведется термодинамический расчет 64
ГЛАВА 4. Численный эксперимент 65
4.1 Особенности работы универсального газогенератора в составе двигателей различного назначения 65
4.2 Численный эксперимент на основе программного комплекса многорежимной оптимизации МГТД 69
4.2.1 Оптимизация базовой модели 69
4.2.2 Расчет универсального газогенератора на рабочих режимах 72
4.2.3 Исследование влияния дополнительного контура низкого давления
на условия работы газогенератора турбовального двигателя 76
4.2.4 Исследование двухвальной двухконтурной схемы ВРД 80
4.2.4.1 ТРДД со смешением потоков 83
4.2.4.2 ТРДД без смешения потоков 91
ГЛАВА 5. Конструкционные материалы 97
5.1 Краткий обзор проблемы 97
5.2 Материалы для компрессорной части 98
5.3 Материалы для «горячей» части 101
5.4 Неметаллические материалы в ГТД 106
ГЛАВА 6. Рекомендации по созданию авиационных ГТД на базе универсального газогенератора 114
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ., 124
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 127

4
ПРИЛОЖЕНИЯ 131
Приложение 1. Обзор существующих малоразмерных двигателей
и программ создания перспективных ГТД 132
Приложение 2. Предварительные расчеты газогенератора в составе
двигателей 148
Приложение 3. Последовательность основных уравнений, по которым
ведется термодинамический расчет 158
Приложение 4. Результаты оптимизации базовой модели 189
Приложение 5. Результаты численного эксперимента 195

Список литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
124
Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем: -
1. В результате выполнения настоящей работы создана концепция и обоснована перспективность построения МГТД при помощи УГГ с располагае¬мой мощностью в диапазоне 900...2700 кВт. Предложены принципы построе¬ния оптимального газогенератора малоразмерного авиационного газотурбинно¬го двигателя, при которых обеспечиваются наилучшие технические характери¬стики двигателей путем:
• выбора оптимальной конструкции; .
• обеспечения постоянства приведенного расхода рабочего тела через ос¬новные сечения УГГ для каждого типа МГТД;
• выбора оптимального управления рабочим процессом;
• применения перспективных материалов;
• обеспечения возможности применения в двигателях JIA различного на¬значения
2. Эти принципы позволят получить следующие преимущества при раз¬работке МГТД:
• высокая степень унификации новых разработок — до 90%;
• многоцелевое применение;
• снижение стоимости разработки в 2 раза;
• снижение затрат на ремонт и замену узлов ГГ в связи с высокой серийно¬стью в 3 — 5 раз;
• облегчение внедрения передовых материалов и технологий
2. Создана научно-техническая основа для создания МГТД различного назначения в диапазоне мощности 735...2570 кВт и диапазоне тяги 2,4... 14 кН, обеспечивающих необходимые графики нагрузок (полетные циклы), присущие каждому конкретному типу летательного аппарата.

125
3. Проведен комплекс расчетных исследований характеристик узлов газо-генератора на расчетном и дроссельных режимах в широком диапазоне измене¬ния начальных параметров. Построена ММ универсального газогенератора в составе двигателя. .
4. Разработан комплексный подход к МО МГТД, обеспечивающем опти¬мальный выбор параметров, как отдельных элементов, так и МГТД в целом. Выделены совокупности критериев оптимальности и параметров оптимизации. Сформулированы целевые функции и разработана обобщенная структура их расчета. Реализация разработанного подхода при решении ряда конкретных за¬дач оптимизации элементов МГТД позволила получить наивыгоднейшие кон¬структивные, термодинамические и режимные параметры МГТД различного назначения при их проектировании.
5. ММ МО газогенератора сгруппированы в модули, описывающие рабо¬ту отдельных элементов газогенератора (компрессор: рабочее колесо, диффу¬зор, спрямляющий аппарат, магистрали отбора воздуха, утечки; камера сгора¬ния: первичная и вторичная зоны; сопловой аппарат турбины, осевой зазор, ра¬бочее колесо, внутренние потери). Каждый модуль независим от других, со¬держит внутренние вычислительные процедуры. Множество варьируемых в процессе многорежимной оптимизации газогенератора векторов режимных па-раметров позволяет сформулировать различные программы регулирования.
6. Реализован программный комплекс МО МГТД, представляющий собой горизонтальную структуру, состоящий из взаимосвязанных ММ разного иерар¬хического уровня МО элементов тепловой схемы и нагрузочных устройств, по¬зволяющий получить наивыгоднейшие конструктивные, массогабаритные и режимные параметры с учетом принятых ограничений и обеспечивающий ми¬нимальный расход топлива МГТД при реализации заданного графика нагрузок. Разработаны структура и алгоритмы программ расчета и оптимизации.
7. В результате многорежимной оптимизации выявлены параметры опти¬мального газогенератора при .Гглоб.тах = 3,824, обеспечивающие минимальное

значение удельного расхода топлива — Се = 316 кг/(кВт-ч) при максимальных значениях удельной мощности двигателя - Nyq = 271 кВт/(кг/с), к которым можно стремиться при создании двигателя следующего поколения
7. Разработанные методы проектирования МГТД с УГТ могут быть ис¬пользованы для проектирования больших двигателей и микродвигателей с по¬правкой на расход воздуха и технологические возможности охлаждения.