Методика и опыт первичного проектирования трансзвукового осевого компрессора

Аннотация

Рассмотрены положения, лежащие в основе программы расчета и проектирования осевых компрессоров газотурбинных двигателей. Расчет потерь напора и отклоняющей способности решеток основан на формулах А.П. Комарова. Модель содержит эмпирические коэффициенты, значения которых подобраны при верификации программы по результатам испытаний многоступенчатых компрессоров и компрессорных ступеней. Приведены основные уравнения и алгоритм расчета давлений и скоростей при выполнении условия радиального равновесия. Показано применение компьютерных программ на базе этих моделей при проектировании четырехступенчатого компрессора газотурбинного двигателя умеренной мощности с отношением полных давлений, равным 3,2, и заданной частотой вращения. Для первой ступени компрессора предложены два варианта проектирования с различными коэффициентами расхода. Первый вариант спроектирован с учетом классической рекомендации приблизиться к одинаковой механической энергии газа на выходе из ступени по радиусу. Второй вариант спроектирован для меньшего значения коэффициента расхода, но чтобы обеспечить радиальное равновесие, необходимо ввести значительную неравномерность подвода механической энергии по радиусу. За счет меньшей кинетической энергии во втором варианте КПД ступени больше на 1,9 % при том, что значения коэффициентов потерь лопаточных аппаратов меньше в первом варианте. Остается открытым вопрос о том, насколько неизбежные потери смешения во втором варианте уменьшат КПД ступени в процессе выравнивания механической энергии газа

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Боровков А.И., Галеркин Ю.Б., Соловьёва О.А. и др. Методика и опыт первичного проектирования трансзвукового осевого компрессора. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2022, № 3 (142), c. 129--150. DOI: https://doi.org/10.18698/0236-3941-2022-3-129-150

Литература

[1] Marenina L., Galerkin Yu., Soldatova К. Computational fluid dynamics application for analysis of centrifugal compressor stage stator part. Int. J. Mech. Eng. Robot. Res., 2018, vol. 7, no. 6, pp. 656--661. DOI: https://doi.org/10.18178/ijmerr.7.6.656-661

[2] Galerkin Yu., Drozdov A., Solovyeva O. Vaneless diffuser for low flow rate centrifugal compressor stage. Proc. 13th Europ. Conf. "Turbomachinery Fluid Dynamics & Thermo-dynamics", 2019, paper ETC2019-329.

[3] Галеркин Ю.Б., Дроздов А.А., Соловьёва О.А. Особенности работы безлопаточных диффузоров центробежных компрессорных ступеней с разной меридиональной формой. Тр. 16 Междунар. науч.-техн. конф. по компрессоростроению. Т. 1. СПб., 2014, с. 171--178.

[4] Borovkov A.I., Voinov I.B., Nikitin M.A., et al. Experience of performance modeling the single-stage pipeline centrifugal compressor. AIP Conf. Proc., 2019, vol. 2141, art. 030051. DOI: https://doi.org/10.1063/1.5122101

[5] Borovkov A.I., Voinov I.B., Galerkin Yu.B., et al. Experimental characteristic simulation for two-stage pipeline centrifugal compressor. IOP Conf. Ser.: Mater. Sc. Eng., 2019, vol. 604, art. 012052. DOI: https://doi.org/10.1088/1757-899X/604/1/012052

[6] Borovkov A., Voinov I., Galerkin Yu., et al. Issues of gas dynamic characteristics modeling: a study on a centrifugal compressor model stage. E3S Web Conf., 2019, vol. 140, art. 06003. DOI: https://doi.org/10.1051/e3sconf/201914006003

[7] Галеркин Ю.Б., Рекстин А.Ф., Солдатова К.В. и др. Состояние инженерного метода оптимального газодинамического проектирования и расчета характеристик центробежных компрессоров. Ч. 1. Компрессорная техника и пневматика, 2019, № 4, с. 3--10.

[8] Галеркин Ю.Б., Рекстин А.Ф., Солдатова К.В. и др. Развитие научной школы турбокомпрессоростроения ЛПИ-СПбПУ Петра Великого, результаты сотрудничества с компрессоростроителями. 17 Междунар. науч.-техн. конф. Казань, 2017, с. 19--29.

[9] Rakov G.L., Rassokhin V.A., Zabelin N.A., et al. A low emission axial-flow turbine for the utilization of compressible natural gas energy in the gas transport system of Russia. IJESE, 2016, vol. 11, no. 18, pp. 11721--11733.

[10] Smirnov M.V., Sebelev A.A., Zabelin N.A., et al. Effects of hub endwall geometry and rotor leading edge shape on performance of supersonic axial impulse turbine. Part I. 12th Europ. Conf. "Turbomachinery Fluid Dynamics and Thermodynamics", 2017, paper ETC2017-100. DOI: https://doi.org/10.29008/ETC2017-100

[11] Sebelev A.A., Smirnov M.V., Borovkov A.I., et al. Effects of hub endwall geometry and rotor leading edge shape on performance of supersonic axial impulse turbine. Part II: method validation and final results. 13th Europ. Conf. "Turbomachinery Fluid Dynamics and Thermodynamics", 2019, paper ETC2019-165. DOI: https://doi.org/10.29008/ETC2019-165

[12] Zhang J., Zhou Z., Cao H., et al. Aerodynamic design of a multi-stage industrial axial compressor. Adv. Eng. Softw., 2018, vol. 116, pp. 9--22. DOI: https://doi.org/10.1016/j.advengsoft.2017.11.005

[13] Zhihui L., Yanming L. Optimization of rough transonic axial compressor. Aerosp. Sc. Technol., 2018, vol. 78, pp. 12--25. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ast.2018.03.031

[14] Aftab M.S., Ali F., Aadil Khan M., et al. Design and analysis of a five stage axial flow compressor. 5th ICASE, 2017. DOI: https://doi.org/10.1109/ICASE.2017.8374248

[15] Marchukov E., Egorov I., Popov G., et al. Optimization of a three spool axial compressor to increase the efficiency of a gas turbine engine. IOP Conf. Ser.: Mater. Sc. Eng., 2019, vol. 604, no. 1, art. 012048. DOI: https://doi.org/10.1088/1757-899X/604/1/012048

[16] Комаров А.П. Исследование плоских компрессорных решеток. В кн.: Лопаточные машины и струйные аппараты. Вып. 2. М., Машиностроение, 1967, с. 67--110.

[17] Попов Ю.А. Совершенствование и анализ проточной части осевых компрессоров и ступеней с использованием результатов испытания лопаточных решеток. Дис. ... канд. техн. наук. СПб., СПбГПУ, 2010.

[18] Lieblein S. Experimental flow in 2D cascades. In: Aerodynamic design of axial flow compressor. NASA, 1965, pp. 183--227.

[19] Бунимович А.И., Святогоров А.А. Обобщение результатов исследования плоских компрессорных решеток при большой дозвуковой скорости. В кн.: Лопаточные машины и струйные аппараты. Вып. 2. М., Машиностроение, 1967, с. 36--66.

[20] Довжик С.А., Гиневский А.С. Потери давления в лопаточных венцах осевого дозвукового компрессора. Промышленная аэродинамика, 1961, № 20, с. 33--40.

[21] Подобуев Ю.С., Селезнев К.П. Теория и расчет осевых и центробежных компрессоров. М., Л., МАШГИЗ, 1957.

[22] Гофлин А.П. Аэродинамический расчет проточной части осевых компрессоров для стационарных установок. М., Л., МАШГИЗ, 1959.

[23] Холщевников К.В., Емен О.В., Митрохин В.Т. Теория и расчет авиационных лопаточных машин. М., Машиностроение, 1986.

[24] Galеrkin Yu., Popov Yu. Optimal primary design of industrial axial compressor flow path. International Conference on Compressors and their Systems. London, City University, 2009, pp. 319--329.

[25] Галеркин Ю.Б., Попов Ю.А. Анализ пространственного потока в "негомогенных" осевых компрессорных ступенях. Компрессорная техника и пневматика, 2006, № 4, c. 11--19.

[26] Галеркин Ю.Б., Попов Ю.А. Анализ эффективности пространственных лопаточных решеток осевых компрессоров по данным продувок плоских решеток. Компрессорная техника и пневматика, 2005, № 3, с. 33--38.

[27] Галеркин Ю.Б., Попов Ю.А. Расчетный анализ характеристик осевых компрессорных ступеней. Компрессорная техника и пневматика, 2005, № 5, с. 26--33.

[28] Галеркин Ю.Б., Попов Ю.А., Прокофьев А.Ю. Анализ эффективности элементарных решеток осевых компрессоров по данным продувок плоских решеток. Компрессорная техника и пневматика, 2005, № 1, с. 13--19.

[29] Галеркин Ю.Б., Попов Ю.А. Оптимизация проточной части осевых компрессоров на стадии вариантного расчета. Ч. 1. Компрессорная техника и пневматика, 2009, № 5, с. 2--10.

[30] Галеркин Ю.Б., Попов Ю.А. Оптимизация проточной части осевых компрессоров на стадии вариантного расчета. Ч. 2. Компрессорная техника и пневматика, 2009, № 6, с. 11--20.