Розвинуто чисельний метод розрахунку нестаціонарних аеродинамічних характеристик коливних граток профілів на основі розв'язання зв'язаної задачі нестаціонарної аеродинаміки і пружних коливань лопаток під дією нестаціонарних навантажень. Наведено числові приклади розрахунку плоскої гратки слабкозігнутих компресорних профілів, що виконують крутильні коливання. Одержано задовільну відповідність експериментальним результатам.

Розглянуто експериментальний стенд для дослідження плоских компресорних решіток турбомашин та спосіб удосконалення одного з пристроїв, в якому нове виконання поворотного механізму пакета лопаток дозволило забезпечити підвищення точності одержання аеродинамічних характеристик компресорних решіток.

Проанализировано современное состояние проблемы численного моделирования нестационарных отрывных течений сплошной среды в проточных частях турбомашин. Рассмотрены уравнения газовой динамики, приведены численные методы их интегрирования. Описан процес пространственного течения газа в дозвуковой турбинной решетке, а также изолированном сверхзвуковом рабочем колесе высоконагруженного компрессора. Исследовано влияние схемной вязкости и модели турбулентности на результаты расчетов. Изложена технология выполнения расчетов высоконагруженных компрессоров. Приведены материалы о пространственном нестационарном турбулентном течении в проточных частях турбомашин.

Разработан алгоритм распараллеливания вычислений при расчете трехмерных течений вязкого газа в турбомашинах. В качестве примера программы аэродинамического расчета рассмотрен программный комплекс FlowER, реализованный на алгоритмическом языке FORTRAN-90. Показано, что применение технологии объектно-ориентированного языка Java позволяет единообразно организовать эффективное распараллеливание вычислений для принципиально различных вычислительных систем: многопроцессорных компьютеров, кластеров, компьютеров в локальной сети.

Рассмотрена постановка задачи о трехмерном течении в лопаточных аппаратах вязкого сжимаемого газа с достаточно произвольным уравнением состояния. Приведены уравнения Навье - Стокса в форме, удобной для численного решения, с использованием современных квазимонотонных схем. Для уравнений состояния совершенного газа, Тамманна и Ван-дер-Ваальса записаны термодинамические функции, необходимые для замыкания системы уравнений газовой динамики.

Предложен численный метод расчета трехмерного трансзвукового потока идеального газа через взаимно движущиеся направляющий аппарат и рабочее колесо турбомашины с учетом колебаний лопаток. Алгоритм позволяет рассчитывать турбинную ступень при произвольном соотношении чисел лопаток статора и ротора с учетом колебаний лопаток под действием переменных аэродинамических сил, вызванных как внешней неоднородностью потока, так и движением лопаток. Приведены результаты расчета последней ступени турбомашины с длиной рабочей лопатки 765 мм.

Розроблено й обгрунтовано методи побудови монотонних різницевих схем з обмежувачами, а також розглянуто питання їх ефективного використання для числового дослідження запропонованих математичних моделей нестаціонарних аеродинамічних, електродинамічних процесів як квазілінійних гіперболічних систем диференціальних рівнянь у частинних похідних. Наведено функціональні рівняння та систему рівнянь і побудовано їх загальні розв'язки (L-функції) які використовуються у конструкціях монотонних різницевих схем слабкої та класичної апроксимації. Впроваджено L-модифіковані інтерполяційні поліноми Ньютона. Розроблено математичну модель багаторядної гратки жорстких профілів у трансзвуковому потоці газу на базі системи рівнянь газової динаміки (Ейлера). Виконано числове дослідження механізму виникнення низькочастотних аеродинамічних навантажень на профілі робочої гратки, що взаємопов'язані з рухом ударної хвилі завдяки системі рухомих і нерухомих граток профілів. Побудовано математичну модель аеропружної гратки профілів, базуючись на зв'язаних системах рівнянь для газодинамічного потоку та пружних коливань профілів. Виконано числове дослідження умов автоколивань у системі "газ - пружні профілі" у разі імпульсного збурення закону коливань профіля гратки. Модель ізольованого пружного профіля крила використано для числового дослідження стійкості переходів меж зон, компактних за числом Маха, стабільних і нестабільних його аеропружних коливань у трансзвуковому потоці газу. Монотонну різницеву схему застосовано для інтегрування нестаціонарних рівнянь Максвелла, записаних у дивергентній формі.

Розроблено методи розв'язування прямої, гібридної й оберненої задач розрахунку квазітривимірної течії в решітках турбомашин щодо їх оптимального проектування. Доведено можливість паралельного розв'язування окремих задач у каналі на підставі використання розроблених методів за умов, що загальна задача розрахунку течії в шарі змінної товщини подана як обмежена множина не зв'язаних між собою відносно простих задач розрахунку течії у вибраних перерізах цього шару. З'ясовано, що дані задачі розв'язуються методами нелінійного програмування. Вдосконалено метод щодо визначення граничних умов задачі проектування решіток профілів турбомашин. Спроектовано нові соплові решітки, профіль яких має локальні хвилеподібні контури та його коефіцієнт сумарних втрат значно нижчий ніж у атласних решіток профілів.

Досліджено питання розробки методу розв'язання прямої й оберненої задач для тривимірної течії в шарі змінної товщини на вісесиметричній поверхні течії. У даному методі пряму й обернену задачі розділено на незалежні одна від одної окремі підзадачі, які можна розв'язувати в будь-якій послідовності або одночасно, що забезпечує можливість контролювати окремі ділянки проектованої лопатки з точки зору міцності та технологічності, та значно скорочує час проектування. Розроблено методику оптимального проектування решіток профілів з великим кутом повертання потоку. Спроектовано робочу решітку для циліндра високого тиску потужної парової турбіни, профіль якої має локальні хвилеподібні контури, а її коефіцієнт кінцевих втрат значно нижчий, ніж у решітки атласних профілів.

Выполнен анализ происхождения тонального шума с использованием метода отслеживания струй течений газа на примере 1,5 экспериментальной ступени турбины низкого давления. Используемый метод доработан для учета трехмерных эффектов течений в турбомашинах. Расчеты проведены в абсолютной системе координат связанной со статором турбомашины. Показаны различные причины возникновения тонального шума когда источником аэродинамической неравномерности являлись сопловой аппарат (СА) или рабочее колесо (РК). Численными исследованиями показано, что для уменьшения тонального шума турбины необходимо обеспечить равномерное поле скоростей, как по величине скорости (после СА), так и по направлению скорости (после РК).

Рассмотрены особенности термоакустических тепловых машин (ТАТМ) и основные положения их базовых математических моделей. Проанализированы механизмы теплообмена в элементах термоакустических двигателей (ТАД). Сделано предположение о целесообразности применения в ТАТМ специальных типов теплообменных поверхностей. Дано описание стенда для экспериментальных исследований комплекса теплофизических и гидродинамических процессов в ТАТМ. Приведены результаты CFD моделирования и экспериментальных исследований процессов в элементах термоакустических аппаратов.

Выполнены тестовые расчеты обтекания невязким и вязким газом изолированных профилей. Численное моделирование проведено с помощью решателя F, в котором реализованы неявные разностные схемы: схема переменных направлений Бима - Уорминга и итерационная схема, разработанная на основе метода Ньютона. Исследования показали согласование результатов, полученных по рассмотренным схемам, между собой, а также с экспериментальными и расчетными данными других авторов. Неявная итерационная схема позволила уменьшить процессорное время, необходимое для установления решения, по сравнению со схемой Бима - Уорминга.

Показаны результаты численного анализа в источнике шума, являющегося результатом нестационарного аэродинамического взаимодействия венцов турбины вентилятора экспериментального двигателя. Для численного анализа использован q3d-метод отслеживания струй течений газа. Используемый метод доработан для учета трехмерных эффектов течений газа в турбомашинах. Расчеты проведены в абсолютной системе координат, связанной со статором турбины. Так как несмежные рабочие колеса имели одинаковые числа лопаток, расчеты проводились при их различном окружном расположении. Сделаны общие выводы о возможности подавления генерируемых шумов в источнике.

Індекс рубрикатора НБУВ: З363-011

Рубрики:

Турбомашини (лопаточні теплові машини). Турбобудування

Шифр НБУВ: Ж24432 Пошук видання у каталогах НБУВ 

Вперше розроблено математичну модель аеродинамічної і аеропружної взаємодії лопаткових вінців ступеня турбомашини (у відсіку турбомашини), що грунтується на частково-інтегральному методі розв'язання зв'язаної задачі нестаціонарної газодинаміки просторового в'язкого потоку і пружних коливань лопаток. Розроблено алгоритм та числовий метод розв'язання зв'язаної задачі аеропружної взаємодії суміжних ступенів у відсіку осьової турбомашини в тривимірному нестаціонарному потоці в'язкого газу. Узагальнено різницеву схему Годунова - Колгана інтегрування усереднених за Рейнольдсом рівнянь Нав'є - Стокса на довільних просторових деформувальних гібридних Н-Н та Н-0 різницевих сітках. Проведено числове дослідження впливу на аеропружну поведінку лопаткового вінця останнього ступеня турбомашини, режиму роботи, нерівномірності потоку перед і за ступенем, співвідношення чисел лопаток статора та ротора. Вперше подано результати числового аналізу аеропружної поведінки лопаткових апаратів осьового компресора з урахуванням аеродинамічної і аеропружної взаємодії суміжних ступенів у відсіку компресора. Проаналізовано вплив витоку в радіальному зазорі на аеропружну поведінку та втрати енергії в турбінному і компресорному ступенях. Вперше виконано числовий аналіз нестаціонарних аеродинамічних навантажень та аеропружних коливань лопаткових вінців у відсіку осьового компресора в тривимірному потоці ідеального газу за парціального підведення.

Приведены результаты исследования влияния угла установки аэродинамических профилей на режимы "запирания" течения в межлопаточных каналах. Результаты расчетов режимов "запирания" по теоретической зависимости, предложенной авторами, хорошо согласуются с результатами численного моделирования течения в компрессорной решетке с различными углами установки аэродинамических профилей.

Представлено современное состояние численного моделирования течений в турбомашинах. На примере CFD решателя FlowER показаны возможности вычислительной газодинамики применительно к турбомашинам. Рассмотрены вопросы выбора модели течения, позволяющей адекватно описать трехмерное турбулентное течение вязкого сжимаемого газа. Особое внимание уделено моделированию турбулентности. Также рассмотрены требования, предъявляемые к современным численным методам решения уравнений газовой динамики, и алгоритмы распараллеливания вычислений. Представлены результаты расчетов течений в турбомашинах, включая моделирование вторичных течений, нестационарные явления, различные протечки (надбандажные, диафрагменные, в радиальных зазорах), пленочное охлаждение. Продемонстрированы возможности оптимизации формы лопаток турбин.

Представлен алгоритм проектирования проточных частей турбин осевого и радиально-осевого типов. Алгоритм основан на использовании математических моделей различных уровней сложности - от одномерных до трехмерных. Моделирование пространственных вязких течений выполняется на основе численного интегрирования осредненной по Рейнольдсу нестационарной системы уравнений Навье - Стокса. Для учета турбулентных эффектов используется двухпараметрическая дифференциальная модель турбулентности SST Ментера. Исходные уравнения интегрируется с помощью неявной квазимонотонной ENO-схемы повышенной точности. Для учета термодинамических свойств рабочего тела применяются уравнения состояния совершенного газа, Таммана и Ван-дер-Ваальса. Реальные термодинамические свойства рабочих тел, в том числе воды и водяного пара, описываются с помощью интерполяционно-аналитического метода аппроксимации модифицированных уравнений Беннедикта - Вебба - Рубина с 32-мя членами и уравнений формуляции IAPWS-95. Модель трехмерного турбулентного течения реализована в программном комплексе IPMFlow, который является развитием программ FlowER и FlowER-U. Описание геометрии проточных частей осевого и радиально-осевого типов выполняется с помощью методов параметризации и аналитического профилирования, исходными данными для которых служит ограниченное число параметризованных величин. В качестве параметризованных выбираются величины либо общепринятые в турбиностроении, либо те, которые имеют простую геометрическую интерпретацию. Методики различны для лопаток радиально-осевого и осевого типов. Представлены примеры разработанных либо модернизированных с помощью предложенного алгоритма проточных частей турбин энергетических машин различного назначения: ткрбодеандер, турбина на низкокипящем рабочем теле, теплофикационная турбина среднего давления.

Рассмотрена математическая модель влияния крупнодисперсной влаги на энергетические и эрозионные характеристики влажнопаровых ступеней турбин ТЭС и АЭС.

Виконано моделювання температури поверхні перемички U-образного блоку полікристалічного кремнію в "Siemens-Реакторі" - для різних схем подачі парогазової суміші. Аналіз даних показав наявність об'єктивних причин тріщиноутворення в блоках перемички.