Параметрическое исследование газодинамических характеристик компрессорных решеток

Рассмотрены вопросы формирования геометрии лопаточных венцов компрессорной решетки при введении окружного навала и S-образности профиля пера лопатки. Представлен расчетный CFD-анализ характеристик таких компрессорных решеток, выполненный с помощью программного комплекса ANSYS CFX 12.1. Получены новы...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Проблемы машиностроения
Дата:	2012
Автор:	Шелковский, М.Ю.
Формат:	Стаття
Мова:	Російська
Опубліковано:	Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України 2012
Теми:	Аэро- и гидромеханика в энергетических машинах
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99053
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Параметрическое исследование газодинамических характеристик компрессорных решеток / М.Ю. Шелковский // Проблемы машиностроения. — 2012. — Т. 15, № 3-4. — С. 27-36. — Бібліогр.: 18 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1860022161187536896
author	Шелковский, М.Ю.
author_facet	Шелковский, М.Ю.
citation_txt	Параметрическое исследование газодинамических характеристик компрессорных решеток / М.Ю. Шелковский // Проблемы машиностроения. — 2012. — Т. 15, № 3-4. — С. 27-36. — Бібліогр.: 18 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Проблемы машиностроения
description	Рассмотрены вопросы формирования геометрии лопаточных венцов компрессорной решетки при введении окружного навала и S-образности профиля пера лопатки. Представлен расчетный CFD-анализ характеристик таких компрессорных решеток, выполненный с помощью программного комплекса ANSYS CFX 12.1. Получены новые расчетные зависимости для угла отставания во вращающейся решетке рабочего колеса с S-образной формой средней линии от углов изгиба профиля и входа потока. Показан характер распределения некоторых аэродинамических характеристик по высоте проточной части при введении различных форм навала лопаток рабочего колеса и направляющего аппарата по результатам CFD-расчетов. Розглянуто питання формування геометрії лопаткових вінців компресорної решітки при введенні окружного навалу і S-подібності профілю пера лопатки. Надано розрахунковий CFD-аналіз характеристик таких компресорних решіток, виконаний за допомогою програмного комплексу ANSYS CFX 12.1. Отримано нові розрахункові залежності для кута відставання решітці робочого колеса, що обертається, з S-подібною формою середньої лінії, від кутів вигину профілю і входу потоку. Показано характер розподілу деяких аеродинамічних характеристик за висотою проточної частини при введенні різних форм навалу лопаток робочого колеса та напрямного апарата, за результатами CFD-розрахунків. The questions of geometry forming of compressor blade vanes with circuit bending and S-shape middle line are considered. The calculation CFD-analysis of characteristics of such compressor cascades, executed through a program complex ANSYS CFX 12.1, is presented. New calculation dependences are got for the deviation angle in the impeller with the S-shape camber line, of the bending profile angle and the angle of the entrance flow. Shows the distribution of some of the aerodynamic characteristics of the height of the flow with the introduction of various forms of blades of impeller and guide vanes circuit bending, as a result of CFD-calculations.
first_indexed	2025-12-07T16:48:16Z
format	Article
fulltext	АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2012, Т. 15, № 3–4 27 При профилировании числа лопаток выбирались в первую очередь из условия обес- печения приемлемой густоты решеток. Тогда, при равных числа Цвайфеля, турбина Б по- требовала бы в среднем на 30% большего числа сопловых и на 20% – рабочих лопаток, чем турбина А. Однако это привело бы к недопустимо малому (по конструктивным соображени- ям) шагу лопаток у корня. В итоге турбина Б имеет больше лопаток, но всего на 8,2%. Более изогнутые лопатки турбины А имеют на 7 –14% большую площадь сечения. С учетом этого, а также высоты и количества лопаток, проточная часть турбины Б имеет на 31% меньший суммарный объем лопаток, а значит, и вес. Очевидно, при этом снижается и контурная нагрузка на диски, что позволит получить более высокие запасы прочности или более легкие диски. Заключение Расчетное исследование двух высоконагруженных турбин низкого давления, отли- чающихся формой проточных частей, показало: при близких аэродинамических нагрузках турбина с меньшим коэффициентом расхода имеет более высокий КПД и меньшее число лопаток. Однако турбина с большим коэффициентом расхода имеет существенно меньший суммарный вес лопаток и резервы для снижения веса дисков. Представленные результаты могут быть полезны при выборе формы проточных час- тей перспективных высоконагруженных турбин. Благодарности Авторы выражают благодарность инженеру-конструктору отдела турбин ГП «Ив- ченко-Прогресс» Люсиной А. В. за участие в работе. Литература 1. Кирилов И. И. Газовые турбины и газотурбинные установки: В 2-х т. Т. 1 / И. И. Кирилов. – М.: Машгиз, 1956. – 434 с. 2. Smith S. F. A Simple Correlation of Turbine Efficiency // JI R. Aeronaut. Sci. – 1965. – Vol 69. – P 467– 470. 3. Vázquez R. High stage loading low pressure turbine. A new proposal for an efficiency chart / R. Vázquez, D. Cadrecha, D. Torre // ASME Pap, GT2003-38374. 4. Ершов С. В. Численный метод расчета течений невязкого и вязкого газа в решетках профилей / С. В. Ершов. – Ин-т пробл. машиностроения АН Украины. Харьков, 1992. – 83 с. – Деп. в ВИНИТИ 29.12.92, № 3696-B92. 5. Menter F. R. Two-equation eddy viscosity turbulence models for engineering applications / F. R. Menter // AIAA J. – 1994. –Vol 32, № 11. – P. 1299–1310. Поступила в редакцию 01.09.12 УДК 621. 513.3. 001. 573 М. Ю. Шелковский «Зоря»-«Машпроект» ГП НПКГ (г. Николаев, e-mail: spe@mashproekt.nikolaev.ua) ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОМПРЕССОРНЫХ РЕШЕТОК Рассмотрены вопросы формирования геометрии лопаточных венцов компрессорной решетки при введении окружного навала и S-образности профиля пера лопатки. Пред- ставлен расчетный CFD-анализ характеристик таких компрессорных решеток, выпол- ненный с помощью программного комплекса ANSYS CFX 12.1. Получены новые расчет- ные зависимости для угла отставания во вращающейся решетке рабочего колеса с S- образной формой средней линии от углов изгиба профиля и входа потока. Показан ха- рактер распределения некоторых аэродинамических характеристик по высоте про- АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2012, Т. 15, № 3–4 28 точной части при введении различных форм навала лопаток рабочего колеса и направ- ляющего аппарата по результатам CFD-расчетов. Розглянуто питання формування геометрії лопаткових вінців компресорної решітки при введенні окружного навалу і S-подібності профілю пера лопатки. Надано розрахун- ковий CFD-аналіз характеристик таких компресорних решіток, виконаний за допомо- гою програмного комплексу ANSYS CFX 12.1. Отримано нові розрахункові залежності для кута відставання решітці робочого колеса, що обертається, з S-подібною формою середньої лінії, від кутів вигину профілю і входу потоку. Показано характер розподілу деяких аеродинамічних характеристик за висотою проточної частини при введенні різ- них форм навалу лопаток робочого колеса та напрямного апарата, за результатами CFD-розрахунків Введение Для улучшения эффективности многоступенчатых осевых компрессоров с высокой степенью повышения давления необходимо создание высокоэкономичных ступеней [1]. По- ток в межлопаточных каналах ступеней компрессора вязкий, сжимаемый, неустановивший- ся, с достаточно сложной структурой течения [2], требующей учета при проектировании. Наличие современных программных комплексов (ANSYS CFX, FlowER и др.) хотя и являет- ся важным шагом в данном направлении, требует дополнительных усилий для практической их реализации, особенно в задачах оптимизации лопаточных венцов, ступеней и многосту- пенчатых компрессоров в целом [3]. В настоящее время остаются актуальными вопросы создания методов 3D профилирования лопаточных венцов на основе анализа пространст- венной формы течения и их параметрические исследования [4]. Постановка задачи Как известно, актуально снижение профильных потерь в компрессорных решетках рабочих колес (РК) и направляющих аппаратов (НА). Кроме этого, вторичные и концевые потери являются основной причиной снижения КПД современных осевых компрессоров, особенно при малых высотах лопаток. Одно из мероприятий по улучшению структуры тече- ния в концевых областях – применение лопаточных венцов с навалом (наклон пера лопатки в окружном направлении) [5]. Применение навала приводит к перераспределению нагрузки вдоль профиля пера лопатки компрессорной решетки [5], изменению структуры нестацио- нарного взаимодействия РК и НА [6]. Изменение коэффициента напора и КПД по высоте лопатки при этом зависит от общей нагруженности ступени. Однако данные по влиянию различных форм навала на параметры ступени компрессора противоречивы [7–9]. Анализ эффектов радиального зазора показал целесообразность использования S- образной формы средней линии профиля пера лопатки в концевых областях для снижения интенсивности вихря перетекания в зазоре [10]. Аналогичная форма профиля (по всей высо- те) была получена ранее для сверхзвуковых решеток, при управлении диффузорностью межлопаточных каналов, для обеспечения изоэнтропического торможения потока на по- верхности спинки профиля [2]. Применение «специального» профилирования лопаточных венцов [11] в дозвуковых решетках профилей многоступенчатых компрессоров стационар- ных ГТД позволило повысить их эффективность [12, 13]. Применение навала, S-образности может дать заметный выигрыш в КПД как в пер- вых, так и в последних ступенях. Однако имеющаяся в литературе информация не система- тизирована и малопригодна к практическому использованию. Неясно, в частности, влияние навала на характеристики ступени в широком диапазоне расхода, на угол отставания потока на выходе из компрессорной решетки, недостаточно информации о распределении коэффи- циента потерь вдоль профиля при введении различных форм навала и S-образности. Поэто- му для внедрения таких мероприятий необходим предварительный подробный анализ, в ча- стности, методами CFD. АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2012, Т. 15, № 3–4 29 Геометрическая модель Задачи формирования геометрии лопаточных венцов РК и НА компрессорной ре- шетки при введении окружного навала и S-образности профиля пера лопатки решались в работе с использованием системы автоматического проектирования [14] и ПК ANSYS CFX [15]. Рассмотрим аэродинамический профиль компрессорной решетки, который образует- ся путем деформации исходного (симметричного) профиля [15]. Средняя линия исходного профиля изгибается по заданному закону так, чтобы углы в точках пересечения ее с осью абсцисс (0;0) (Bi; 0) в начальной системе координат (ось абсцисс – хорда, ось ординат – пер- пендикуляр к хорде) равнялись соответственно γ1i и γ2i (рис. 1). За положительное направле- ние оси Xi принято направление от носика к хвостику профиля. Средняя линия изогнутого профиля может представлять дугу окружности, дугу гиперболы или полиномиальную зави- симость Yi = a + bXi + сXi 2 + dXi 3 + fXi 4 + eXi 5. (1) Для нахождения коэффициентов (a, b, c, d, f, e), а также величин γ1i и γ2i выполняется решение системы уравнений на некотором радиусе Ri (2). Первые пять уравнений следуют из геометрического представления средней линии исходного профиля в системе координат (рис. 1), шестое и седьмое уравнение предполагает форму средней линии в виде дуги окруж- ности на входном участке профиля (на расстояниях ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ 25 iB и ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ 30 iB по хорде). Восьмое уравне- ние описывает S-образность профиля в области выходной кромки ( ) ( ) ( ) ( ) ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ γ=β−β+β−β−θ⋅ γ⋅ − ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −−⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ γ⋅ =⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛⋅+⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛⋅+⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛⋅+⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛⋅+⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛⋅+ γ⋅ − ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −−⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ γ⋅ =⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛⋅+⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛⋅+⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛⋅+⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛⋅+⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛⋅+ ⋅+⋅+⋅+⋅+⋅+= ⋅⋅+⋅⋅+⋅⋅+⋅⋅+= >γ⋅⋅+⋅⋅+⋅⋅+⋅⋅+=θ+γ =γ = ,))(()))((( )tan(2230)sin(23030303030 )tan(2225)sin(22525252525 0 54320 0;5432)(tg )(tg 0 1г1исхустг1исхуст 1 22 1 5432 1 22 1 5432 5432 432 2 432 1 1 iiiiiiSi i iiiiiiiii ii i iiiiiiiii ii iiiiiiiiiii fifififii iiiiiiiiiii ii P BBBBBeBfBdBcBba BBBBBeBfBdBcBba BeBfBdBcBba XeXfXdXcb BeBfBdBcb b a iiii (2) Рис. 1. Схема средней линии исходного профиля в начальной системе координат АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2012, Т. 15, № 3–4 30 где i – номер сечения по высоте; (a, b, c, d, f, e) – коэффициенты полинома (2); Bi – хорда профиля на i-м радиусе; ( ) ifX – абсцисса максимального прогиба средней линии профиля на i-м радиусе; γ1i и γ2i – углы наклона средней линии в точках пересечения ее с осью абсцисс на i-м радиусе; iθ – угол изгиба профиля на i-м радиусе; PSi параметр S-образности средней линии профиля; (βустi)исх – исходный угол установки решетки на i-м радиусе (при PSi = 0); (β1Гi)исх – исходный геометрический угол входа на i-м радиусе (при PSi = 0). Изменение управляющего параметра PSi может осуществляться по определенному закону вдоль высоты профиля пера лопатки в диапазоне PSi = (0÷(PSi)max), где (PSi)max – мак- симальное значение параметра при γ2i ≈ 0. Увеличение управляющего параметра PSi соответ- ствует большей S-образности в области выходной кромки. Пересчет координат профиля из системы координат (рис. 1) в базовую систему координат с учетом угла установки профиля производится по зависимостям βустi = β1Гi + γ1i, (3) Xбазi(Xi) = Xi⋅cos(βустi) – Yi(Xi)⋅sin(βустi), (4) Yбазi(Xi) = Xi⋅sin(βустi) + Yi(Xi)⋅cos(βустi), (5) где βустi – угол установки профиля; Xбазi(Xi), Yбазi(Xi) – координаты средней линии в базовой системе координат. Введем навал профиля пера лопатки в окружном направлении за счет придания оси центра масс сечений лопатки формы кривой, при этом положение оси центра масс на i-м ра- диусе задается углом θ2i (угол поворота оси Z вокруг оси X, от оси Z до оси Y, рис. 2). По известным для каждого сечения по высоте лопатки геометрии средней линии, ко- ординатам симметричного профиля, значениям радиусов входной и выходной кромок, отно- сительной максимальной толщине профиля ( iC max ), значению угла θ2i выполняется форми- рование геометрической модели профиля пера лопатки. Предложенная геометрическая мо- дель требует для своей реализации специального программного обеспечения. Задача форми- рования твердотельной модели профиля пера лопатки была решена с помощью ПК ANSYS CFX 12.1 (модуль BladeGen), а также дополнительных макросов – подпрограмм “Tetta.exe” в ПК “Fortran” (формирование средней линии по высоте модели профиля пера лопатки с уче- том угла установки), “midline.xmcd” в ПК Mathcad 14.0 (нахождение коэффициентов поли- номиальной зависимости (2) с учетом угла установки и формирование средней линии про- филя), “Cmax.exe” в ПК “Fortran” (формирование исходного симметричного профиля для плоского сечения на i-м радиусе с учетом заданной относительной максимальной толщины профиля). Представленный выше метод формирования геометрии профиля пера лопатки был использован при выполнении вычислительных экспериментов. Ниже приведены результаты а) б) Рис. 2. Расчетная схема для формирования навала профиля пера лопатки: а) – схема канала; б) – схема формирования навала в окружном направлении АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2012, Т. 15, № 3–4 31 CFD-анализа влияния измене- ния геометрических парамет- ров профиля пера лопатки: на- вала в окружном направлении (угол θ2i), степени S-образности (параметр PS) на структуру те- чения и газодинамические ха- рактеристики ступени ком- прессора. Объект исследования Для оценки влияния S-образности формы средней линии профиля пера лопатки РК на ее характеристики рас- сматривалась средняя ступень компрессора высокого давле- ния стационарного ГТД [16] (рис. 3). Профилирование лопаточных венцов осуществлялось по закону постоянства циркуляции по высоте. Для задания закрутки потока на входе в РК в расчетах изменялась геометрия фиктивного входного направляющего аппарата. Расчетная модель При построении расчетной области для лопаточных венцов использовалась импор- тированная из TurboGrid сетка (рассматривалась периодическая часть, содержащая одну ло- патку), с разбиением (3,5⋅106) узлов на венец. Параметр y+ контролировался в процессе рас- чета ((y+) < 3). Применяемая модель турбулентности: SST-Ментера, со степенью турбулент- ности на входе в компрессор ε = 5%. Рассматривалась стационарная задача при сочетании граничных условий – полное давление на входе, с заданием направления потока – статиче- ское давление на выходе. Используемый тип осреднения на границах расчетной области ме- жду соседними венцами – “Stage”. Критерием сходимости расчета являлось установление основных интегральных характеристик потока при достижении минимального значения ве- личин их среднеквадратичных невязок. При моделировании выдерживалось число Re > 2⋅105 путем задания физических (реальных) условий на входе в расчетную область. Результаты исследований 1. Анализ влияния S-образности формы средней линии профиля пера лопатки на характеристики компрессорной решетки На первом этапе определялось влияние изменения формы средней линии профиля по высоте на коэффициент потерь, угол выхода потока из решетки, фактор дифффузорности D. Исследования проводились на расчетном режиме по расходу и частоте вращения ротора ( 0,1=прn 0,1=ВпрG ). Всего было исследовано 12 вариантов геометрии РК (см. таблицу, здесь Варианты CFD-расчетов с изменяемым параметром Ps № ва- рианта Относительная высота лопатки, h Параметр PS № ва- рианта Относительная высота лопатки, h Параметр PS 1–1 1,0 (PS)max/4 3–1 0 (PS)max/4 1–2 1,0 (PS)max/2 3–2 0 (PS)max/2 1–3 1,0 3(PS)max/4 3–3 0 3(PS)max/4 2–1 0,5 (PS)max/4 4–1 0=h , 5,0=h , 0,1=h (PS)max/4 2–2 0,5 (PS)max/2 4–2 0=h , 5,0=h , 0,1=h (PS)max/2 2–3 0,5 3(PS)max/4 4–3 0=h , 5,0=h , 0,1=h 3(PS)max/4 Рис. 3. Расчетная схема для CFD-исследований АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2012, Т. 15, № 3–4 32 (PS)max – величина параметра PS при γ2 ≈ 0). Густота решетки РК составляла b/t = 1,16 на среднем радиусе, относительная высота лопаток h/b = 1,37, величина хорды b = 36,6 мм, ко- эффициенты 263,0 * =адH , 450,01 =аС . В результате CFD-исследований установлено, что при S-образной форме средней линии профиля уменьшается угол отставания на выходе из решетки. Это изменение тем зна- чительнее, чем больше параметр PS. Вместе с тем при фиксированной величине аС1 увели- чивается фактор диффузорности D, что приводит к изменению распределения коэффициента потерь в решетке РК по высоте (см. рис. 4). Следует отметить, что полученные результаты по распределению коэффициента потерь неоднозначны и нуждаются в дальнейшей экспе- риментальной проверке. На втором этапе решалась задача определения угла отставания потока на выходе из решетки РК с S-образной формой средней линии лопаточных венцов при угле атаки, близ- ком к оптимальному. Для получения зависимости угла отставания от геометрических пара- метров РК использовался ортогональный центральный композиционный план (ЦКП) [17]. Варьируемыми параметрами при этом являлись: параметр PS, который изменялся в пределах PS = (0,06÷0,34); величина прогиба средней линии сечения профиля fX , ( )50,040,0( ÷=fX ), угол потока на входе в решетку β1n, β1n = (33÷34)°, параметр вращения ω2R, ω2R = (2,29÷3,29)⋅106. При оценке угла отставания использовалась зависимость [18] ( ) θ⋅+δ=δ btb m /0 , (6) Рис. 4. Распределение коэффициента потерь по высоте вдоль профиля пера лопатки РК по высоте для различных вариантов значений параметра PS Рис. 5. Распределение угла выхода потока по высоте вдоль профиля пера лопатки РК по высоте для различных вариантов значений параметра Ps АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2012, Т. 15, № 3–4 33 где δ0 – угол отставания при нулевом изгибе профиля; θ – угол изгиба про- филя; b – коэффициент, зависящий от угла входа потока, при этом величи- нам δ0 и b соответствует данные [18], а для нахождения коэффициента m использовался регрессионный ана- лиз. После определения коэффициен- тов уравнения регрессии была полу- чена аппроксимационная математи- ческая модель для оценки коэффици- ента m во вращающейся S-образной решетке РК. Количественная оценка ко- эффициента m в S-образной вра- щающейся решетке РК с использованием полученной модели (7) приведена на рис. 7. При S- образной форме средней линии профиля уменьшается угол отставания на выходе из решетки (рис. 5). Это изменение тем значительнее, чем больше степень S-образности, при этом уве- личивается фактор диффузорности (рис. 6). Расчетная зависимость коэффициента потерь от фактора диффузорности для среднего сечения исследуемой решетки при введении парамет- ра PS для скоростей M1 ≤ 0,65 приведена на рис. 8, в сопоставлении с данными [1] .492,0)5,5812)(0,113252,0( 5 38)094,0208,0()5,5812)(0,006P032,0( 5,581)0,186)(2(0,005 5 380,147)(0,004 0,037)9)(0,082(200,095)345,581)(0,0(2 5 38)007,00345,0(0,024)211,429)(0,1(7,143 9)0,046)(20(0,229)0,733(0,0259043,0 2 12 S 2 1 1 1 22 1 2 1 −−ω−+ +⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −β −+−ω−+ +−ω−β−⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −β −β− −−−−−ω−ω− −⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −β −+−−− −−−−+−ω+β= RX XR R XXRR PPP XPXPRm f f ff SSS fSfS (7) Рис. 6. Распределение коэффициента D по высоте вдоль профиля пера лопатки РК по высоте для различных вариантов значений параметра Ps Рис. 7. Зависимость коэффициента m для среднего сечения РК угла входа потока АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2012, Т. 15, № 3–4 34 2. Влияние навала профиля пера лопатки на характеристики компрессорной решетки Для средней ступени КВД (рис. 3) выполнено численное исследование характе- ристик лопаточных венцов РК и НА при изменении окружного навала лопаток θ2i (рис. 2), отдельно в каждом из них. Рассматривалась работа ступени при равномерном поле параметров на входе, для фиксированного расчетного режима. Во всех исследованных конфигурациях навала профиля пера лопатки РК (рис. 9) наблюдается изменение поля параметров в концевых областях, в частности в области радиального зазора. Коэффициент потерь (8) в этих зонах возрастает при увеличении параметра θ2i (в случае выпуклой стороны разрежения профиля) Вместе с тем с ростом θ2i уменьшается степень сжатия в средней части решетки, происходит перераспределение поля Рис. 8. Зависимость величины (ζsinβ1/2b/t) для среднего сечения РК от фактора диффузорности а) б) в) г) Рис. 9. Вид лопаток РК: а) – θ = 1,5°; б) – θ = 3°; в) – θ = –1,5°; г) – θ = –3° а) б) в) г) Рис. 10. Распределение: а), в) – коэффициента потерь; б), г) – угла выхода потока; а), б) – РК в лопаточном венце; в), г) – НА по высоте лопатки АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2012, Т. 15, № 3–4 35 параметров по высоте. При уменьшении θ2i наблюдается тенденция к снижению коэффициента потерь в области радиаль- ного зазора. В средней части решетки уменьшение коэффициента потерь не- значительно (рис. 10). ( ) 2/2 11 * W P ⋅ρ Δ =ξ (8) При исследовании влияния формы навала профиля пера лопатки НА (рис. 11) на изменение поля параметров по высоте проточной части выявлена тенденция к существенному (более интенсивному, по сравнению с РК) росту неравномерности в концевых областях при выпуклой форме спинки профиля (уменьшениt параметра θ2i для НА). При уменьшении θ2i коэффициент потерь увеличивается как в концевых областях (рис. 12), так и в средней части решетки. В случае выпуклой стороны разрежения профиля коэффициент потерь увеличива- ется на 20–40%. При вогнутой стороне разрежения профиля значение осредненного по высоте коэф- фициента потерь в лопаточных венцах уменьшается на 8–10%, при этом в средней части профиля пера лопатки НА выявлено уменьшение на 10% коэффициента потерь при значении параметра θ2i = 3°. В периферийной области на выходе из решетки происходит уменьшение угла отставания потока на 1÷1,5°. Заключение 1. Предложен метод формирования геометрии лопаточных венцов компрессорной решетки при введении окружного навала и S-образности профиля пера лопатки. 2. Получена новая модель для определения угла отставания потока во вращающейся решетке РК с S-образной формой средней линии, с учетом густоты, угла изгиба профиля, угла входа потока. 3. Показано, что при S-образной форме средней линии профиля уменьшается угол отставания на выходе из решетки. Такое изменение тем значительнее, чем больше степень S-образности, вместе с тем при этом увеличивается фактор диффузорности. 4. Установлено, что при введении окружного навала лопаток РК и НА при вогнутой стороне разрежения профиля коэффициент потерь в лопаточных венцах уменьшается на 8– 10%. В случае выпуклой стороны разрежения профиля коэффициент потерь увеличивается на 20–40%. 5. Положительный эффект при навале достигается преимущественно за счет улуч- шения структуры течения в концевых областях. Для решетки НА при вогнутой стороне раз- режения профиля выявлено уменьшение угла отставания в периферийной области на 1÷1,5°. а) б) в) г) Рис. 11. Вид лопаток НА: а) – θ = 1,5°; б) – θ = 3°; в) – θ = –1,5°; г) – θ = –3° Рис. 12. Распределение осредненного по высоте коэффициента потерь в лопаточных венцах РК и НА при изменении навала профиля пера лопатки АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2012, Т. 15, № 3–4 36 Литература 1. Холщевников К. В. Теория и расчет авиационных лопаточных машин / К. В. Холщевников, О. Н. Емин, В. Т. Митрохин. – М.: Машиностроение, 1986. – 452 с. 2. Кампсти Н. Аэродинамика компрессоров: Пер. c англ. / Н. Кампсти. – М.: Мир, 2000. – 688 c. 3. Аэродинамический расчет и оптимальное проектирование проточной части турбомашин / А. В. Бойко, Ю. Н. Говорущенко, С. В. Ершов и др. – Харьков: НТУ «ХПИ», 2002. – 356 c. 4. Герасименко В. П. Аэродинамическая оптимизация рабочего колеса компрессора / В. П. Гераси- менко, М. Ю. Шелковский // Авиац.-косм. техника и технология. – 2010. – № 10/77. – C. 46–48. 5. The Design, Development and Evaluation of 3D Aerofoils for High Speed Axial Compressors / D. Lip- pett, G. Woollatt, P. Ivey et al. // ASME Pap. GT2005-68792. – 26 p. 6. Петровичев А. М. Влияние окружного изгиба лопаток направляющего аппарата на характеристики ступени осевого компрессора / А. М. Петровичев, Н. М. Савин, С. А. Смирнов // Лопаточные ма- шины и струйные аппараты. – Вып. 12. – М.: Машиностроение. – 1990. – C. 29–42. 7. Расчётно-экспериментальные исследования модели высоконагруженной типовой средней ступе- ни высоконапорного КВД / В. И. Милешин, И. К. Орехов, С. В. Панков, Е. И Степанов // Авиадви- гатели XXI века: Материалы конф. – М.: Центр.ин-т авиац. машиностроения. – 2010. – С. 211–215. 8. Расчетное исследование течения в ступени осевого компрессора с окружным изгибом лопаток направляющего аппарата / А. Б. Богод, А. М. Петровичев, Н. М. Савин, С. А. Смирнов // Лопаточ- ные машины и струйные аппараты. – Вып. 12. – М.: Машиностроение. – 1990. – C. 7–17. 9. Брейгельманс Влияние окружного навала лопаток на вторичное течение в плоской компрессорной решетке / Брейгельманс, Каралс, Демют // Энерг. машины и установки. – 1984.– № 3. – C. 30–36. 10. Герасименко В. П. Эффекты радиального зазора в турбомашинах / В. П. Герасименко, Е. В. Оси- пов, М. Ю. Шелковский // Авиац.-косм. техника и технология. – 2004. – № 8/16. – C. 51–58. 11. Василенко С. Е. Влияние формы средней линии профилей на потери в концевых областях прямых компрессорных решеток / С. Е. Василенко, В. В. Огнев, Р. З. Тумашев // Изв. вузов. Машинострое- ние. – 1987. – № 2. – C. 76–79. 12. Василенко С. Е. Совершенствование КНД ГПА 25 применением специального профилирования последних ступеней компрессора / С. Е. Василенко, В. Е. Спицын, М. А. Шаровский // Судовое и энерг. Машиностроение. Николаев: НПКГ «Зоря»-«Машпроект». – 2004. – Т. 1, № 3. – С. 107–112. 13. Расчетно-экспериментальное исследование осецентробежного компрессора со специальным про- филированием лопаточных венцов / М. А. Шаровский, М. Ю. Шелковский, Е. А. Токарева, А. В. Ивченко // Авиац. –косм. техника и технология. – 2010. – № 9 (76). – С. 34–40. 14. Комиссаров Г. А. Методика газодинамического расчета осевого компрессора / Г. А. Комиссаров, В. М. Микиртичан, М. В. Хайт.– М.: Центр. ин-т авиац. моторостроения им. П. И. Баранова ЦИАМ, 1961. – 132 c. 15. ANSYS CFX [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.ansys.com/Products/Simulation +Technology/Fluid+Dynamics/ANSYS+CFX. 16. Расчет суммарных газодинамических характеристик компрессоров по идентифицированной мо- дели с использованием CFD-технологий / В. Е. Спицын, М. А. Шаровский, А. В. Ивченко и др. // Современные технологии в газотурбостроении. – 2009. – № 4/5 (40). – C. 37–41. 17. Герасименко В. П. Математические методы планирования испытаний воздушно-реактивных дви- гателей : Учеб. пособие/ В. П .Герасименко – Харьков: Харьков. авиац. ин-т – 1982. – 105 с. 18. Степанов Е. И. Расчеты течения в турбомашинах / Е. И. Степанов. – М.: Центр. ин-т авиац. мото- ростроения им. П. И. Баранова ЦИАМ, 1986. – 196 с. Поступила в редакцию 29.09.12
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-99053
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	0131-2928
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T16:48:16Z
publishDate	2012
publisher	Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
record_format	dspace
spelling	Шелковский, М.Ю. 2016-04-22T16:05:42Z 2016-04-22T16:05:42Z 2012 Параметрическое исследование газодинамических характеристик компрессорных решеток / М.Ю. Шелковский // Проблемы машиностроения. — 2012. — Т. 15, № 3-4. — С. 27-36. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. 0131-2928 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99053 621. 513.3. 001. 573 Рассмотрены вопросы формирования геометрии лопаточных венцов компрессорной решетки при введении окружного навала и S-образности профиля пера лопатки. Представлен расчетный CFD-анализ характеристик таких компрессорных решеток, выполненный с помощью программного комплекса ANSYS CFX 12.1. Получены новые расчетные зависимости для угла отставания во вращающейся решетке рабочего колеса с S-образной формой средней линии от углов изгиба профиля и входа потока. Показан характер распределения некоторых аэродинамических характеристик по высоте проточной части при введении различных форм навала лопаток рабочего колеса и направляющего аппарата по результатам CFD-расчетов. Розглянуто питання формування геометрії лопаткових вінців компресорної решітки при введенні окружного навалу і S-подібності профілю пера лопатки. Надано розрахунковий CFD-аналіз характеристик таких компресорних решіток, виконаний за допомогою програмного комплексу ANSYS CFX 12.1. Отримано нові розрахункові залежності для кута відставання решітці робочого колеса, що обертається, з S-подібною формою середньої лінії, від кутів вигину профілю і входу потоку. Показано характер розподілу деяких аеродинамічних характеристик за висотою проточної частини при введенні різних форм навалу лопаток робочого колеса та напрямного апарата, за результатами CFD-розрахунків. The questions of geometry forming of compressor blade vanes with circuit bending and S-shape middle line are considered. The calculation CFD-analysis of characteristics of such compressor cascades, executed through a program complex ANSYS CFX 12.1, is presented. New calculation dependences are got for the deviation angle in the impeller with the S-shape camber line, of the bending profile angle and the angle of the entrance flow. Shows the distribution of some of the aerodynamic characteristics of the height of the flow with the introduction of various forms of blades of impeller and guide vanes circuit bending, as a result of CFD-calculations. ru Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України Проблемы машиностроения Аэро- и гидромеханика в энергетических машинах Параметрическое исследование газодинамических характеристик компрессорных решеток Parametric research of gasdynamic characteristics of compressor cascades Article published earlier
spellingShingle	Параметрическое исследование газодинамических характеристик компрессорных решеток Шелковский, М.Ю. Аэро- и гидромеханика в энергетических машинах
title	Параметрическое исследование газодинамических характеристик компрессорных решеток
title_alt	Parametric research of gasdynamic characteristics of compressor cascades
title_full	Параметрическое исследование газодинамических характеристик компрессорных решеток
title_fullStr	Параметрическое исследование газодинамических характеристик компрессорных решеток
title_full_unstemmed	Параметрическое исследование газодинамических характеристик компрессорных решеток
title_short	Параметрическое исследование газодинамических характеристик компрессорных решеток
title_sort	параметрическое исследование газодинамических характеристик компрессорных решеток
topic	Аэро- и гидромеханика в энергетических машинах
topic_facet	Аэро- и гидромеханика в энергетических машинах
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99053
work_keys_str_mv	AT šelkovskiimû parametričeskoeissledovaniegazodinamičeskihharakteristikkompressornyhrešetok AT šelkovskiimû parametricresearchofgasdynamiccharacteristicsofcompressorcascades

Параметрическое исследование газодинамических характеристик компрессорных решеток

Репозитарії

Схожі ресурси