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

ГЛАВНАЯ    ПРО ЖУРНАЛ    РЕДКОЛЛЕГИЯ    АВТОРАМ    ТЕКУЩИЙ ВЫПУСК    АРХИВ    КОНТАКТЫ

УДК 519.6:621.51

Техническая механика, 2019, 1, 53 - 62

АЭРОДИНАМИЧЕСКОЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАБОЧИХ КОЛЕС ЦЕНТРОБЕЖНЫХ КОМПРЕССОРНЫХ СТУПЕНЕЙ

Кваша Ю. А., Зиневич Н. А.

Кваша Ю. А.
Институт технической механики Национальной академии наук Украины и Государственного космического агентства Украины
Украина

Зиневич Н. А.
Институт технической механики Национальной академии наук Украины и Государственного космического агентства Украины
Украина

      Работа посвящена развитию подходов к оптимальному аэродинамическому проектированию центробежных компрессорных ступеней, что обусловлено практикой их применения в компрессорах современных авиационных газотурбинных двигателей и энергоустановок. Цель работы – построение и проверка работоспособности методики аэродинамического совершенствования рабочих колес центробежных компрессорных ступеней. В качестве основного метода применяется численное моделирование пространственных турбулентных газовых течений в центробежных колесах на основе полных осредненных уравнений Навье–Стокса и двухпараметрической модели турбулентности. Особенностями используемого подхода к оптимизации являются: варьирование пространственной формы лопасти центробежного колеса при неизменном положении ее входного и выходного участка для минимизации влияния варьирования на рабочий диапазон изменения расхода воздуха через колесо и параметры течения на выходе из колеса; формулировка критериев качества как осредненных по расходу воздуха величин энергетических характеристик рабочего колеса; поиск рациональных значений геометрических параметров лопасти центробежного колеса путем систематического просмотра области независимых переменных в точках, образующих равномерно распределенную последовательность. В результате проведенного исследования расчетным путем показано, что применение предлагаемой методики позволяет заметно увеличить степень сжатия в центробежном колесе при сохранении величины его адиабатического коэффициента полезного действия (КПД) в рабочем диапазоне изменения расхода воздуха через колесо. Данный вывод получен при использовании достаточно “грубой” расчетной сетки, сохраняющей, однако, чувствительность результатов расчета к изменению формы лопасти центробежного колеса. Достоверность этого вывода подтверждена последующим расчетом энергетических характеристик исходного и модифицированного колеса на более подробной расчетной сетке. В целом продемонстрировано, что изменение формы только средней части лопасти центробежного колеса представляет собой достаточно сильное воздействие, существенно влияющее на степень сжатия воздуха в колесе и практически не сказывающееся на его КПД. Полученные в работе результаты могут быть использованы при аэродинамической оптимизации центробежных ступеней авиационных газотурбинных двигателей.

аэродинамическое совершенствование, рабочее колесо, пространственная форма лопасти, центробежная компрессорная ступень, численное моделирование, энергетические характеристики

1. Benini E., Giacometti S. Design, manufacturing and operation of a small turbojet-engine for research purposes. Applied Energy. 2007. Vol. 84. P. 1102–1116.

2. Рекстин А. Ф., Галеркин Ю. Б. Особенности первичного проектирования малорасходных центробежных компрессорных ступеней. Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2018. Т. 20. № 2. С. 43–54.

3. Poursadegh F., Hajilouy A., Nili M. A novel quasi-3d design method for centrifugal compressor impeller on the blade-to-blade plane. Proc. of ASME TURBO EXPO 2011. (Vancouver, June 6–10, 2011). Vancouver, British Columbia (Canada), 2011. 8 p.

4. Xiaomin Liu, Wenbin Zhang. Two schemes of multi-objective aerodynamic optimization for centrifugal impeller using response surface model and genetic algorithm. Proc. of ASME TURBO EXPO 2010. (Glasgow, June 14–18, 2010). Glasgow (UK), 2010. 13 p.

5. Jin-Hyuk Kim, Jae-Ho Choi, Kwang-Yong Kim. Design optimization of a centrifugal compressor impeller using radial basis neural network method. Proc. of ASME TURBO EXPO 2009. (June 8–12, 2009). Orlando, Florida (USA), 2009. 9 p.

6. Васильев Ю. С, Галеркин Ю. Б., Солдатова К. В. Оптимизация проточной части турбомашин (на примере центробежных компрессоров). Проблемы энергетики. 2011. № 9–10. С. 105–117.

7. Noll B. Evaluation of a Bounded High-Resolution Scheme for Combustor Flow Computations. AIAA J. 1992. Vol. 30. № 1. P. 64–69.

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

9. Письменный В. И., Кваша Ю. А. Расчет трехмерного турбулентного потока воздуха в центробежной ступени компрессора. Техническая механика. 2004. № 2. С. 94–99.

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

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

12. Кваша Ю. А., Зиневич Н. А. К интерполяции целевой функции при оптимизации технических систем. Техническая механика. 2018. № 2. С. 71–78.

Copyright (©) 2019 Кваша Ю. А., Зиневич Н. А.

Copyright © 2014-2019 Техническая механика