Методика оценивания влияния сепарации абразивных частиц в осевых компрессорах на характеристики авиационных газотурбинных двигателей: моделирование газодинамики осевого компрессора

Аннотация

Исследованы воздействие агрессивных факторов окружающей среды на компрессор авиационного газотурбинного двигателя, основные причины и последствия прохождения двухкомпонентного потока воздуха, содержащего твердые частицы, через компрессорный узел. Рассмотрены эрозионный износ, его влияние на конструктивные элементы, прочность, устойчивость работы компрессора и ресурс двигателя в целом. Дана оценка применяемых в настоящее время способов предотвращения эрозионного износа и предложен способ, разработанный авторами. Приведены подробное описание и принцип функционирования предлагаемого способа. Описана методика оценивания влияния сепарации абразивных частиц на характеристики осевых компрессоров авиационных газотурбинных двигателей, основанная на современных методах численного моделирования лопаточных машин и уравнениях гидрогазодинамики, реализованных в CFD-пакетах. Разработаны геометрические 3D-модели сепарационного устройства и осевого компрессора, дискретизация пространственной области потока выполнена конечно-элементным методом. Приведено математическое описание модели газодинамики потока с обоснованием выбранной модели турбулентности. Определены граничные условия, применяемые при расчете модели, и основные газодинамические характеристики лопаточных машин. Приведены результаты моделирования, области оптимальных режимов работы, устойчивой границы и запирания осевого компрессора, по которым будет выполнена оценка влияния сепарации на характеристики авиационных газотурбинных двигателей

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Попов С.С., Черкасов А.Н., Клепиков Д.С. Методика оценивания влияния сепарации абразивных частиц в осевых компрессорах на характеристики авиационных газотурбинных двигателей: моделирование газодинамики осевого компрессора. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2025, № 1 (152), c. 37--58. EDN: VPWOWC

Литература

[1] Григорьев В.А., Пономарев Б.А., ред. Вертолетные газотурбинные двигатели. М., Машиностроение, 2007.

[2] Маслеников М.М., Бехли Ю.Г., Шальман Ю.И. Газотурбинные двигатели для вертолетов. М., Машиностроение, 1969.

[3] Перельман Р.Г. Эрозионная прочность деталей двигателей и энергоустановок летательных аппаратов. М., Машиностроение, 1980.

[4] Еникеев Г.Г. Комплексная защита газотурбинного двигателя, эксплуатирующегося в запыленной атмосфере и морской среде. Вестник УГАТУ, 2013, т. 17, № 3, с. 41--48. EDN: RDUQCV

[5] Ситницкий Ю.Я., Ситницкий А.Ю. Воздухозаборное устройство для вертолетного газотурбинного двигателя, удаляющее из воздуха частицы песка и пыли. Патент РФ 2742697. Заявл. 15.06.2020, опубл. 09.02.2021. EDN: GRJDZU

[6] Королев С.Д., Демьянюк С.А., Меркушкин Е.В. Пылезащитное устройство двигателя (варианты). Патент РФ 2638692. Заявл. 21.03.2016, опубл. 15.12.2017. EDN: GRJDZU

[7] Кривошеев И.А., Струговец С.А., Камаева Р.Ф. Анализ влияния частиц пыли на параметры ступеней осевого компрессора. Вестник Воронежского государственного технического университета, 2011, т. 7, № 7, с. 35--40. EDN: NVAMML

[8] Гумеров А.В. Предельное состояние осевого компрессора ГТД в условиях эксплуатации в запыленной атмосфере. Дис. ... канд. техн. наук. Уфа, УфГАТУ, 2011. EDN: QHNSMX

[9] Попов С.С., Черкасов А.Н., Беловодский Ю.П. Осевой компрессор. Патент РФ 2801253. Заявл. 21.12.2022, опубл. 04.08.2023. EDN: XVQFJO

[10] Елисеев Ю.С., Поклад В.А., Елисеев Д.Н. Применение информационных технологий при проектировании газотурбинных установок. Труды МАИ, 2012, № 56. EDN: OYBDMZ

[11] Дащенко А.Ф., Лазарева Д.В., Сурьянинов Н.Г. ANSYS в задачах инженерной механики. Харьков, Бурун и К, 2011.

[12] Блинов В.Л. Разработка принципов параметрического профилирования плоских решеток осевых компрессоров ГТУ на основании результатов многокритериальной оптимизации. Дис. ... канд. техн. наук. Екатеринбург, УрФУ, 2015. EDN: DBUIRX

[13] Маренина Л.Н., Соловьева О.А., Галеркин Ю.Б. и др. Разработка параметризованной модели и расчет осевого компрессора энергетической установки. Материаловедение. Энергетика, 2020, т. 26, № 4, с. 100--111. EDN: WMUUQX.DOI: https://doi.org/10.18721/JEST.26408

[14] Шаблий Л.С., Колмакова Д.А., Кривцов А.В. Параметрическое моделирование лопаточных машин при оптимизации. Известия Самарского научного центра РАН, 2013, т. 15, № 6-4, с. 1013--1018. EDN: SJUXFJ

[15] Коваль В.А., Ковалева Е.А., Литвинов Е.В. Анализ возможности применения трехмерного пакета ANSYS CFX для проведения численного эксперимента на компрессорных ступенях. Компрессорная техника и пневматика, 2009, № 8, с. 19--23. EDN: LAEVBR

[16] Ахмедзянов Д.А., Кишалов А.Е., Суханов А.В. и др. Применение ANSYS CFX для получения характеристик осевых компрессоров ГТД. Вестник УГАТУ, 2012, т. 16, № 8, с. 15--22. EDN: PXAKUB

[17] Мартиросян А.А., Милешин В.И., Дружинин Я.М. и др. Расчетно-экспериментальное исследование аэродинамических характеристик биротативного вентилятора с использованием различных программных комплексов. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2019, № 2 (125), с. 115--130. EDN: ZHBJJB. DOI: https://doi.org/10.18698/0236-3941-2019-2-115-130

[18] Молчанов А.М. Математическое моделирование задач газодинамики и тепломассообмена. М., Изд-во МАИ, 2013.

[19] Юн А.А. Моделирование турбулентных течений. М., Либроком, 2010.

[20] Комаров О.В., Седунин В.А., Блинов В.Л. и др. Верификация задачи численного моделирования течения воздуха в осевой компрессорной ступени. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2016, № 1 (106), с. 54--67. EDN: VNUGOZ. DOI: https://doi.org/10.18698/0236-3941-2016-1-54-67

[21] Кирсанов Е.Д., Галяутдинов М.И., Абдурашитов В.Р. и др. Исследование влияния моделей турбулентности на точность трехмерного расчета осевого компрессора в ANSYS CFX. Новые импульсы развития: вопросы научных исследований. Матер. III Междунар. науч.-практ. конф. Саратов, Цифровая наука, 2020, с. 41--44. EDN: GCUGEA

[22] Пузанова А.В., Серков С.А. Сравнение экспериментальных данных с результатами численного моделирования течения в ступени осевого компрессора полученных при использовании k--ε и SST модели турбулентности. Тр. III Науч.-техн. конф. молодых ученых Уральского энергетического института. Екатеринбург, УрФУ, 2018, с. 126--131. EDN: YXLFXF

[23] Menter F.R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications. AIAA J., 1994, vol. 32, no. 8, pp. 1598--1605. DOI: https://doi.org/10.2514/3.12149

[24] Wilcox D.C. Turbulence modeling for CFD. La Canada Flintridge, DCW Industries, 2006.

[25] Wilcox D.C. Formulation of the k--ω turbulence model revisited. AIAA J., 2008, vol. 46, no. 11, pp. 2823--2838. DOI: https://doi.org/10.2514/1.36541

[26] Федоров Р.М. Характеристики осевых компрессоров. Воронеж, Научная книга, 2015.