РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ГТУ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПАКЕТОВ ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММ

Определение характеристик осевого компрессора энергетической газотурбинной установки (ГТУ) на этапе проектирования является важной задачей с точки зрения обеспечения требуемой мощности, экономичности и надежности изделия. Достижение заданных в техническом задании значений КПД лопаточных машин является сложной научно-технической задачей. В случае проектирования компрессоров задача осложняется еще и требованием обеспечения достаточных запасов газодинамической устойчивости, постепенно снижающихся с ростом параметров цикла.

На сегодняшний день для трехмерного моделирования процессов газовой динамики лопаточных машин широко используются методы расчета, основанные на численном решении уравнение Навье-Стокса осредненных по Рейнольдсу, реализованные в прикладных коммерческих пакетах.

При расчете характеристик компрессора основные сложности возникают при определении границ напорных веток. Правая граница напорной ветки определяется запиранием межлопаточного канала по расходу, что может быть смоделировано с применением трехмерного расчета за счет задания соответствующих граничных условий. Левая граница напорной ветки (граница газодинамической устойчивости) соответствует предпомпажному режиму, характеризующемуся пульсациями давления, что плохо поддается моделированию с применением методов расчета, основанных на численном решении. Как правило, при моделировании режимов близких к предпомпажному состоянию расчет не сходится и в таком случае считают, что условная граница газодинамической устойчивости достигнута.

В работе проводится пример расчета характеристик первой ступени компрессора низкого давления (КНД) двигателя ДН-80 с применением программного пакета вычислительной газовой динамики ANSYS CFX. В ходе расчета правая граница напорной ветки характеристики определялась за счет задания на выходе из лопаточного венца статического давления равного полному давлению на входе. Левая граница рассчитывалась в два этапа. Вначале в первом приближении условная граница неустойчивой работы ступени определялась по сходимости численного решения. А во втором приближении уточнялась с помощью математической модели приведенной в работах [1, 2], позволяющей рассчитывать характеристики осевых компрессоров в срывной области рабочих режимов для прогрессирующего и полного вращающегося срыва с учетом гистерезиса границы динамической устойчивой (ГДУ) работы компрессора.

Такой подход для расчетного определения границы газодинамической устойчивости позволяет дополнить методы вычислительной газовой динамики на режимах формирования срывных и обратных течений в проточной части осевого компрессора за счет применения эмпирических математических моделей. Что в свою очередь позволяет моделировать процессы в осевых компрессорах в устойчивой области, определять границу устойчивой работы, прогнозировать протекание характеристик в срывной области рабочих режимов и при обратном направлении потока, алгоритмизировать управляющие воздействия на ГТУ.

Рисунок 1. Характеристики ступени осевого компрессора

На рисунке 1 пунктиром показаны характеристики компрессора для разной частоты вращения, построенные с помощью программного пакета ANSYS CFX. Сплошной линией – характеристики, построенные с помощью математических моделей. Черным цветом – линии КПД. Красной пунктирной линией – граница газодинамической устойчивости.

Список литературы:

1. Моделирование неустановившихся режимов авиационных ГТД с учетом гистерезиса границы устойчивой работы компрессора/ А. Е. Михайлов, Д. А. Ахмедзянов, Ю. М. Ахметов, А. Б. Михайлова // Вестник УГАТУ: научный журнал Уфимск. гос. авиац. техн. ун-та. – Уфа: УГАТУ, 2014. – т.18, №2 (63). – с. 3–9.
2. Расчет характеристик осевых компрессоров авиационных ГТД совместно с границей устойчивой работы с помощью расширенной методики обобщенных зависимостей/ А.Б. Михайлова, Д.А. Ахмедзянов, Ю.М. Ахметов, А.Е. Михайлов// Известия ВУЗов. Авиационная техника – Казань: КНИТУ, 2014 - №3. – с. 55-59.
3. Карелин О.О., Тощаков А.М. Компьютерное моделирование как основа освоения междисциплинарных компетенций в области проектирования авиационных ГТД // Вестник РГАТУ имени П.А. Соловьева, 2016. -  №2 (37). - С. 174-179
4. Белоусов А.Н., Мусаткин Н.Ф., Радько В.М., Кузьмичёв В.С. Проектный термогазодинамический расчёт основных авиационных лопаточных машин; Самар. гос. аэрокосм. ун-т. Самара, 2006. с.316