На правах рукописи

СЕНЮШКИН НИКОЛАЙ СЕРГЕЕВИЧ МЕТОД ПРОЕКТИРОВАНИЯ ФОРСАЖНЫХ КАМЕР ДЛЯ НАЧАЛЬНЫХ СТАДИЙ РАЗРАБОТКИ ВРД Специальность 05.07.05 - Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа - 2009 2

Работа выполнена на кафедре авиационных двигателей ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет

Научный консультант:

канд. техн. наук, доц. Харитонов Валерий Федорович

Официальные оппоненты:

д-р техн. наук, проф. Мингазов Билал Галавтдинович канд. техн. наук, доц. Христолюбов Вячеслав Леонидович Ведущее предприятие: ФГУП л Научно-производственное предприятие Мотор

Защита состоится 25 сентября 2009 г. в 10 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета ДЦ212.288.05 при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: г.Уфа, ул. К.Маркса, 12.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Уфимского государственного авиационного технического университета.

Автореферат разослан л23 07 2009

Ученый секретарь диссертационного совета д-р техн. наук, проф. Ф.Г.Бакиров 3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Форсажная камера сгорания, как один из основных узлов воздушно-реактивного двигателя для сверхзвуковых самолетов, играет существенную роль в обеспечении его технических характеристик. Несмотря на кажущуюся простоту устройства, рабочий процесс в форсажной камере весьма сложен. Он представляет собой совокупность физико-химических процессов, протекающих в потоке движущегося реагирующего высокотемпературного газа практически одновременно и влияющих друг на друга. В связи с этим, форсажная камера трудно поддается моделированию с использованием аналитических и численных методов.

Создание и доводка форсажных камер ВРД требует проведения большого объема сложных и ресурсоемких экспериментов. Вследствие этого, разработка эффективных методов и средств их моделирования для каждого этапа проектирования является актуальной задачей.

Сложная структура рабочего процесса форсажных камер диктует необходимость разработки систем моделирования, позволяющих решать задачи инженерного анализа в области различных дисциплин - газодинамики, горения, теплообмена, прочности, долговечности, то есть многодисциплинарных систем анализа.

Особое место при проектировании форсажных камер занимают начальные этапы (техническое предложение и эскизное проектирование). Именно на них закладывается облик будущей камеры, выбирается тип и размеры основных элементов, проводятся предварительные детальные расчеты. Чем точнее оценки и результаты, полученные на этих этапах, тем меньше продолжительность и, соответственно, стоимость последующих стадий разработки, особенно доводки.

В связи с вышеизложенным, разработка инженерных методов и средств математического моделирования форсажных камер и их элементов для использования на этапах предварительного проектирования является актуальной задачей.

Среди методов, используемых для моделирования камер сгорания, перспективным является модульный метод. Преимущества этого метода - универсальность, гибкость, производительность, умеренные требования к вычислительным ресурсам - позволяют рассматривать его как базовый метод для разработки многодисциплинарных многоуровневых систем моделирования форсажных камер ВРД.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка и реализация метода предварительного проектирования форсажных камер, основанного на использовании многодисциплинарной двухуровневой системы их моделирования и анализа.

Для достижения данной цели решены следующие задачи:

- проведен сравнительный анализ методов, используемых при моделировании форсажных камер; обоснована целесообразность применения модульного метода;

- разработана структура подсистемы формирования облика форсажных камер ВРД, включая библиотеку типовых элементов, информационные потоки, математические модели и алгоритмы, наборы входных и выходных данных;

- разработана структура подсистемы детального (газодинамического и теплового) моделирования форсажных камер ВРД, включая библиотеку типовых элементов, информационные потоки, математические модели и алгоритмы, наборы входных и выходных данных;

- разработана методика решения задач формирования облика, детального (газодинамического и теплового) анализа форсажных камер различных конструктивных схем;

- произведено тестирование разработанной системы на задачах формирования облика, газодинамического и теплового анализа форсажных камер на соответствующих стадиях процесса разработки авиационного двигателя;

- исследована возможность уточнения используемых математических моделей элементов с помощью программных комплексов трехмерного газодинамического и теплового моделирования. Предложен метод уточнения одномерных моделей на основе данных трехмерного расчета.

Научная новизна - для моделирования форсажных камер на начальных стадиях разработки впервые применен модульный метод;

- впервые разработана структура многодисциплинарной двухуровневой системы моделирования форсажных камер ВРД, включающая библиотеки основных модулей для двух уровней, информационные потоки, законы расчета;

- разработаны информационные модели основных модулей;

- предложена новая методика организации взаимодействия одномерного и трехмерного расчетов с целью уточнения математической модели в процессе решения задачи.

Практическая значимость. Разработана многодисциплинарная двухуровневая система газодинамического и теплового моделирования и анализа форсажных камер ВРД, которая может быть использована на этапах разработки технического предложения, эскизного проектирования, а также доводки форсажных камер ВРД. Практическая ценность работы состоит в следующем:

- на этапе проектирования - в повышении качества и сокращения времени проектирования за счет увеличения количества просматриваемых вариантов;

более детального и всестороннего анализа каждого проектного решения;

появления возможности решать задачи, возникающие при проектировании нового поколения авиационных двигателей, при непрерывном совершенствовании используемых в системе математических моделей;

- на этапе исследований - в возможности анализа работы форсажной камеры на всех режимах для различных стадий проектирования и замены ряда экспериментов, связанных с натурными испытаниями на дорогостоящих установках, математическим моделированием;

- в учебном процессе - в возможности газодинамического и теплового моделирования форсажных камер ВРД при выполнении лабораторных работ, в курсовом и дипломном проектировании.

Методы исследования. Полученные автором результаты базируются на основных положениях теории рабочих процессов камер сгорания ВРД, методах системного анализа с применением современных информационных технологий и результатах экспериментальных исследований элементов форсажных камер.

Основные результаты исследований, выносимые на защиту:

1. Основные принципы формирования многодисциплинарной многоуровневой системы моделирования форсажных камер ВРД на основе модульного метода.

2. Структура многодисциплинарной двухуровневой системы анализа форсажных камер ВРД.

3. Информационные модели основных модулей системы.

4. Результаты анализа форсажной камеры ТРДДФ на разных этапах проектирования, сравнение расчетных и экспериментальных данных.

5. Результаты проверки эффективности использования программного комплекса ANSYS CFX (проведение численного эксперимента) с целью частичной замены натурного эксперимента.

6. Методика уточнения модели одномерного расчета на основе данных трехмерного моделирования на примере диффузора форсажной камеры.

Обоснованность и достоверность результатов исследования.

Достоверность результатов проведенных в работе исследований и расчетов подтверждена путем их сопоставления с экспериментальными данными конкретных изделий на различных режимах работы. Математические модели элементов, используемые в работе, сформированы на базе эмпирических соотношений, применяемых в промышленности при проектировании форсажных камер.

Внедрение. Результаты диссертационной работы внедрены в ФГУП "НПП "Мотор" и в учебный процесс ГОУ ВПО УГАТУ.

Апробация результатов работы.

Основные результаты работы докладывались на IX Всероссийской научно- технической конференции УИнформационные технологии в науке, проектировании и производствеФ (Н. Новгород, 2003), всероссийской молодежной научно-технической конференции Проблемы современного машиностроения (Уфа, 2004), международных конференциях Информационные технологии в образовании, технике и медицине. (Волгоград, 2004, 2006), Международной НТК в ЦИАМ (Москва, 2005), НТК Королевские чтения (Самара, 2006), Х, ХI и XII Всероссийских НТК Аэрокосмическая техника и высокие технологии (Пермь, 2007, 2008, 2009), НТК молодых специалистов, инженеров и техников, посвященной годовщине образования ОАО УМПО (Уфа, 2007), Всероссийских молодежных научных конференциях "Мавлютовские чтения (Уфа, 2007, 2008), Результаты работы обсуждены в бригаде форсажных камер и выходных устройств ФГУП НПП Мотор и используются там при разработке перспективных авиационных двигателей.

Работа отмечена Дипломом как лучшая исследовательская работа в области информационных технологий на НТК молодых специалистов, инженеров и техников, посвященной годовщине образования ОАО УМПО (Уфа, 2007).

Публикации. Результаты исследования отражены в 15 публикациях, в том числе в двух изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы (83 наименования).

Основная часть работы содержит 152 страницы, 98 иллюстраций, 7 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обоснована актуальность работы, дана краткая ее характеристика, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ методов, используемых для моделирования форсажных камер и их элементов. Раскрыто понятие моделирования, приведена классификация моделей.

Отличительной особенностью моделирования как метода исследования является возможность изучения, прогнозирования и оптимизации таких объектов и процессов, проведение натурного эксперимента для которых затруднительно.

В главе рассмотрены следующие методы:

1 Струйный метод. Газодинамическая картина течения в камере сгорания представлена в виде системы струй: газового потока, охлаждающего воздуха, циркуляционного течения за стабилизаторами, в пристеночном слое. Метод может использоваться для исследований картины течения газов в жаровой трубе форсажной камеры с целью качественного анализа уровня потерь полного давления на этапе предварительного проектирования.

а б Рисунок 1 - Схема проточной части форсажной камеры для моделирования:

а) последовательно-одномерным методом, б) сетевым методом 2.Последовательно-одномерный метод. Проточная часть форсажной камеры представляет собой систему последовательно расположенных элементарных участков (рис. 1а), на каждом из которых процессы описываются одномерными соотношениями. Параметры на выходе из какого-либо участка являются входными для следующего Математическая модель для этого метода, разработанная В.Я. Безменовым и Б.Г. Мингазовым, основана на следующих допущениях: вся зона горения условно разделена на n характерных участков; смешение паров топлива со вторичным воздухом происходит мгновенно; в процессе горения участвуют только пары топлива, перемешанные с воздухом, топливовоздушная смесь является однородной; теплофизические характеристики смеси продуктов сгорания в пределах каждого участка постоянны и определяются параметрами на входе.

3 Сетевой метод моделирования построен на базе метода расчета трубопроводных сетей. Модель формируется в виде разветвленной сети, состоящей из большого количества элементарных каналов и узлов. Элементы соответствуют реальным физическим особенностям конструкции, а узлы объединяют их в общую структуру, сеть (рис.1.б). Основные уравнения решаются в узлах, потоки в элементах описываются с помощью полуэмпирических соотношений.

Использование сетевого метод позволяет моделировать процессы течения и теплообмена с учетом тепловыделения при горении, дает возможность оценивать потери полного давления и тепловое состояние стенок. Метод является эффективным инструментом как предварительного, так и детального анализа камер сгорания.

4 В методах механики сплошных сред для анализа поведения газа под влиянием внешних воздействий используется представление исследуемой области в виде совокупности большого числа элементарных ячеек (в сложных моделях их количество может достигать 108Е109). Для решения задач механики жидкости и газов используются методы вычислительной гидрогазодинамики и тепломассообмена (Computational Fluid Dynamics - CFD), например, метод конечных элементов. Они предполагают высокую степень детализации исследуемой области и обеспечивают решение задач в трехмерной постановке.

Результатом решений являются распределения параметров потока рабочего тела и тепловое состояние элементов.

Методы CFD, требующие для реализации значительных затрат времени, применяются на этапах, связанных с детальным проектированием и доводкой. Их использование на начальных стадиях затруднено или невозможно ввиду недостаточности исходных данных. В настоящее время применение этих методов непрерывно расширяется. В главе приведены примеры использования методов CFD при разработке и исследовании форсажных камер ВРД.

Анализ методов моделирования, используемых для моделирования форсажных камер, показал:

1. Наиболее точные результаты дают CFD методы; это обеспечивается высокой степенью дискретизации исследуемой области, двух- и трехмерной постановкой задачи, учетом различных физических особенностей процессов. Их прямое применение на этапе предварительного проектирования нецелесообразно, так как для этого необходима подробная модель расчетной области.