ОСОБЛИВОСТІ АЕРОДИНАМІЧНОЇ ОПТИМІЗАЦІЇ ПРОСТОРОВОЇ ФОРМИ ЛОПАТОК ОСЬОВИХ КОМПРЕСОРІВ

Анотація

DOI: https://doi.org/10.15407/itm2026.02.003

У роботі розглянуто питання вибору раціональних способів аеродинамічного вдосконалення лопаткових вінців високонавантажених осьових компресорних ступенів газотурбінних двигунів. Оцінено можливості підходу до аеродинамічної оптимізації лопаткових вінців компресорів, розробленого в Інституті технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України. Основними елементами підходу є: чисельне моделювання просторової течії в лопатковому вінці на основі повних осереднених рівнянь Нав’є–Стокса й двопараметричної моделі турбулентності; застосування досить “грубих” розрахункових сіток, що зберігають, однак, чутливість результатів розрахунку до зміни форми лопатки; формулювання критеріїв якості як осереднених по витраті повітря величин аеродинамічних характеристик лопаткових вінців; пошук оптимальної просторової форми лопатки з використанням точок рівномірно розподілених послідовностей у просторі змінних; застосування простого способу варіювання профілів лопатки колеса зі збереженням аеродинамічно прийнятної форми профілів в процесі оптимізації. Ціль роботи – виділення особливостей, що проявляються при застосуванні вказаного підходу, і оцінка можливості зменшення витрат часу на оптимізацію на основі врахування цих особливостей. Використано числові дані, що одержані раніше при аеродинамічній оптимізації лопаток робочого колеса компресора. Проведено інформаційно-аналітичну оцінку вказаних даних. Показано, що при оптимізації досягається поліпшення аеродинамічних характеристик решіток профілів, що відповідають як втулковій і середній, так і периферійній області проточної частини лопаткового вінця. Також зберігається аеродинамічно прийнятна форма профілів лопатки при їх варіюванні в процесі оптимізації. Отримані результати дозволяють вважати доцільним використання невеликих наборів заздалегідь оптимізованих плоских решіток профілів для скорочення витрат часу при побудові оптимізованої просторової форми компресорної лопатки.

ПОСИЛАННЯ

1. Ashihara K., Goto A. Turbomachinery blade design using 3-D inverse design method, CFD and optimization algorithm. Proc. of ASME TURBO EXPO 2001. (New Orleans, Louisiana, USA, June 4–7, 2001). New Orleans (USA), 2001. 9 p. https://doi.org/10.1115/2001-GT-0358

2. Chan-Sol Ahn, Kwang-Yong Kim. Aerodynamic design optimization of an axial flow compressor rotor. Proc. of ASME TURBO EXPO 2002. (Amsterdam, The Netherlands, June 3–6, 2002). Amsterdam (The Netherlands), 2002. 7 p.

3.  Sivashanmugam V. K., Arabnia M., Ghaly W. Aero-structural optimization of an axial turbine stage in three-dimensional flow. Proc. of ASME TURBO EXPO 2010. (Glasgow, UK, June 14–18, 2010). Glasgow (UK), 2010. 14 p.

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

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

6. Jinguang Yang, Xiuquan Huang, Hu Wu. Multi-row inverse method based on the adjoint optimization. Proc. of ASME TURBO EXPO 2011. (Vancouver, British Columbia, Canada, June 6–10, 2011). Vancouver, British Columbia (Canada), 2011. 11 p.

7. Rongye Zheng, Jianhua Xiang, Jinju Sun. Blade geometry optimization for axial flow compressor. Proc. of ASME TURBO EXPO 2010. (Glasgow, UK, June 14–18, 2010). Glasgow (UK), 2010. 12 p.

8. Xu C., Amano R. S.  A turbine airfoil aerodynamic design process. Proc. of ASME TURBO EXPO 2001. (New Orleans, Louisiana, USA, June 4–7, 2001). New Orleans (USA), 2001. 10 p.

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

10. Jinxin Cheng, Zhaohui Dong, Shengfeng Zhao, Hang Xiang. Research on Aerodynamic Optimization Method of Multistage Axial Compressor under Multiple Working Conditions Based on Phased Parameterization Strategy. Mathematical Problems in Engineering. 2021. URL: https://www.hindawi.com/journals/mpe/2021/5518507/ (Last accessed: 17.05.2026). https://doi.org/10.1155/2021/5518507

11. Schnoes M., Voß C., Nicke E. Design optimization of a multi-stage axial compressor using throughflow and a database of optimal airfoils. J. Glob. Power Propuls. Soc. 2018. Vol. 2. P. 516–528. https://doi.org/10.22261/JGPPS.W5N91I

12. Шелковский М. Ю. Аэродинамическое совершенствование осевого десятиступенчатого компрессора стационарного ГТД. Авиационно-космическая техника и технология. 2014. № 9. С. 27–32.

13. Матвеев В. Н., Батурин О. В., Попов Г. М. Улучшение характеристик многоступенчатого компрессора за счет использования методов оптимизации. Авиационно-космическая техника и технология. 2013. № 8. С. 103–107.

14. Борисенко В. Д., Устенко С. А., Устенко І. В., Кузьма К. Т. Геометричне моделювання профілю лопатки осьового компресора S-подібної форми. Прикладні питання математичного моделювання. 2020. Т. 3, № 2.2. С. 24–34.

15. Suder K. L. NASA’s Role in Gas Turbine Technology Development: Accelerating Technical Progress via Collaboration between Academia, Industry, and Government Agencies. Proc. of ASME TURBO EXPO 2019. (Phoenix, Arizona, USA, June 17–21, 2019). Phoenix (USA), 2019. 29 p. https://doi.org/10.1115/GT2019-91539

16. Дулепов А. А., Балалаєв А. В. Моделювання течії у ступені вентилятора турбореактивного двоконтурного двигуна з надроторним пристроєм. Авіаційно-космічна техніка і технологія. 2024. № 4 спецвипуск 2 (198). С. 5–11. https://doi.org/10.32620/aktt.2024.4sup2.01

17. Кваша Ю. А. Расчет пространственного турбулентного потока в межлопаточных каналах сверхзвуковых компрессорных ступеней. Техническая механика. 1999. № 1. С. 9–13.

18. 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.

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

20. Кваша Ю. А., Зиневич Н. А. Аэродинамическая оптимизация пространственной формы лопатки рабочего колеса сверхзвуковой компрессорной ступени. Техническая механика. 2016. № 3. С. 35–42.

21. Кваша Ю. О., Зіневич Н. А., Петрушенко Н. В. Особливості варіювання просторової форми лопаток при аеродинамічному вдосконаленні компресорів авіаційних газотурбінних двигунів. Технічна механіка. 2022. № 2. С. 17–24. https://doi.org/10.15407/itm2022.02.017

22. 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.