ТЕХНИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА
ISSN 1561-9184 (печатная версия), ISSN 2616-6380 (електронная версия)

ГЛАВНАЯ    ПРО ЖУРНАЛ    РЕДКОЛЛЕГИЯ    АВТОРАМ    ТЕКУЩИЙ ВЫПУСК    АРХИВ    КОНТАКТЫ

УДК 533.697:621.51

Техническая механика, 2016, 3, 35 - 42

АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ФОРМЫ ЛОПАТКИ РАБОЧЕГО КОЛЕСА СВЕРХЗВУКОВОЙ КОМПРЕССОРНОЙ СТУПЕНИ

Ю. А. Кваша, Н. А. Зиневич

      Работа посвящена аэродинамической оптимизации высоконагруженного рабочего колеса сверхзвуковой компрессорной ступени. В качестве основного инструмента используется численное моделирование течения в колесе на основе полных осредненных уравнений Навье–Стокса и двухпараметрической модели турбулентности. Особенностями используемого подхода к оптимизации являются: применение достаточно “грубых” расчетных сеток, сохраняющих, однако, чувствительность результатов расчета к изменению формы лопатки; формулировка критериев качества как осредненных по расходу воздуха величин энергетических характеристик рабочего колеса; применение достаточно простого способа варьирования пространственной формы лопатки колеса; поиск оптимальной пространственной формы лопатки с использованием точек равномерно распределенных последовательностей в пространстве переменных. В результате проведенного исследования выбраны два варианта пространственной формы лопатки колеса, обеспечивающие увеличение значений его энергетических характеристик по сравнению с прототипом (в первом случае получено только повышение адиабатического КПД, во втором – повышение КПД и степени сжатия колеса). Обоснованность данного выбора подтверждена последующим расчетом энергетических характеристик рабочего колеса с исходной и оптимизированными лопатками на подробной расчетной сетке. В целом продемонстрировано, что на основе предложенного рационального выбора сравнительно небольшого числа параметров, применяемых для варьирования пространственной формы лопатки колеса, может быть существенно повышена его степень сжатия при одновременном увеличении адиабатического КПД. Полученные в работе результаты могут быть использованы при аэродинамической оптимизации пространственной формы лопаток неподвижных и вращающихся лопаточных венцов компрессоров.

Аэродинамическая оптимизация, рабочее колесо компрессорной ступени, численное моделирование, пространственная форма лопатки, энергетические характеристики.

1. Ashihara K. Turbomachinery blade design using 3-D inverse design method, CFD and optimization algorithm / K. Ashihara, A. Goto // Proc. of ASME TURBO EXPO 2001. – New Orleans, Louisiana (USA), 2001. – 9 p.

2. Chan-Sol Ahn. Aerodynamic design optimization of an axial flow compressor rotor / Chan-Sol Ahn, Kwang- Yong Kim // Proc. of ASME TURBO EXPO 2002. – Amsterdam (The Netherlands), 2002. – 7 p.

3. Sivashanmugam V. K. Aero-structural optimization of an axial turbine stage in three-dimensional flow / V. K. Sivashanmugam, M. Arabnia, W. Ghaly // Proc. of ASME TURBO EXPO 2010. – Glasgow (UK), 2010. – 14 p.

4. Ершов С. В. Аэродинамическая оптимизация пространственной формы лопаток паровых и газовых турбин / С. В. Ершов, В. А. Яковлев // Авиационная космическая техника и технология. – 2008. – № 7. – С. 66 – 70.

5. Меняйлов А. В. Применение эволюционных методов для решения задач оптимизации компрессоров газотурбинных двигателей / А. В. Меняйлов, А. А. Трончук, Е. М. Угрюмова // Авиационно-космическая техника и технология. – 2008. – № 5. – С. 59 – 65.

6. Jinguang Yang. Multi-row inverse method based on the adjoint optimization / Jinguang Yang, Xiuquan Huang, Hu Wu // Proc. of ASME TURBO EXPO 2011. – Vancouver, British Columbia (Canada), 2011. – 11 p.

7. Xiang X. Optimum initial design of centrifugal compressor stage with genetic algorithm / X. Xiang, X. L. Zhao // Proc. of XV Int. Symp. on Air Breathing Engines. – Bangalore (India), 2001. – 6 p.

8. Oksuz O. Turbine cascade optimization using an Euler coupled genetic algorithm / O. Oksuz, I. S. Akmandor // Proc. of XV Int. Symp. on Air Breathing Engines. – Bangalore (India), 2001. – 9 p.

9. Rongye Zheng. Blade geometry optimization for axial flow compressor / Rongye Zheng, Jianhua Xiang, Jinju Sun // Proc. of ASME TURBO EXPO 2010. – Glasgow (UK), 2010. – 12 p.

10. Xu C. A turbine airfoil aerodynamic design process / C. Xu, R. S. Amano // Proc. of ASME TURBO EXPO 2001. – New Orleans, Louisiana (USA), 2001. – 10 p.

11. Мелашич С. В. Способ параметрического описания профилей компрессорных решеток / С. В. Мелашич // Техническая механика. – 2012. – № 2. – С. 77 – 82.

12. Кваша Ю. А. К аэродинамической оптимизации рабочих колес сверхзвуковых компрессорных ступе- ней / Ю. А. Кваша, Н. А. Зиневич // Техническая механика. – 2016. – № 2. – С. 55 – 63.

13. Design and Overall Performance of Four Highly Loaded, High-Speed Inlet Stages for an Advanced High- Pressure-Ratio Core Compressor : NASA Technical Paper 1337. – 1978. – 132 p.

14. Кваша Ю. А. Расчет пространственного турбулентного потока в межлопаточных каналах сверхзвуко- вых компрессорных ступеней / Ю. А. Кваша // Техническая механика. – 1999. – №1. – С. 9 – 13.

15. Численное исследование двухступенчатого вентилятора / Е. Ю. Рублевский, Д. А. Плакущий, В. И. Письменный, Ю. А. Кваша // Вестник двигателестроения. – 2013. – № 2. – С. 169 – 176.

16. Кваша Ю. А. К выбору расчетных сеток при численном моделировании пространственных турбулент- ных течений в рабочих колесах сверхзвуковых компрессорных ступеней / Ю. А. Кваша, Н. А. Зиневич // Техническая механика. – 2013. – № 3. – С. 34 – 41.

17. Соболь И. М. Выбор оптимальных параметров в задачах со многими критериями / И. М. Соболь, Р. Б. Статников. – М. : Наука, 1981. – 110 с.

Copyright (©) 2017 В. І. Тимошенко, Ю. В. Книшенко, В. І. Щербаков

Copyright © 2014-2018 Техническая механика