Метод проектирования форсажных камер для начальных стадий разработки ВРД

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 (отсутствие вращающихся и подвижных элементов, большого числа деталей), 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: течение газообразной среды, теплообмен, распыливание и испарение топлива, смесеобразование, воспламенение, горение, смешение газа из-затурбины с воздухом второго контура на входе ФК. Экспериментальное исследование этих процессов требует решения ряда системных проблем, связанных с измерениями в высокотемпературном потоке реагирующего газа, что представляет технические сложности иведет к значительным' финансовым затратам. В связи с этим, форсажная камера трудно поддается моделированию с использованием аналитических и численных методов.

Требования, предъявляемые к форсажным камерам:

• обеспечение устойчивого процесса горения (без вибрационного горения и погасания) во всем диапазоне форсированных режимов работы двигателя;

• высокая полнота сгорания форсажного топлива, реализуемая в заданных длинновых габаритах;

• минимальные гидравлические потери на всех режимах работы двигателя, а также минимальные потери полного давления при подводе тепла в форсажной камере;

• надежный запуск без значительных возмущений в газовоздушном тракте, влияющих на режим работы турбокомпрессора;

• минимальное время выхода на режим максимального форсирования;

• высокая надежность конструкции.

Рабочий процесс форсажной камеры [50], по сравнению с основной камерой, отличается следующими особенностями.

1. Высокая температура во всем рабочем объеме камеры,.

2. Более высокая скорость потока, более высокая температура и более низкий уровень давлений на входе в камеру,.

3. Неравномерность параметров потока перед фронтовым устройством, существенно возрастающая в двухконтурных двигателях,.

4. Низкое содержание кислорода в рабочем теле за турбиной.

В этих условиях усложняется решение проблем обеспечения требуемого уровня полноты сгорания и предотвращения вибрационного горения.

Создание, а тем более доводка форсажных камер ВРД, требует проведения большого объема сложных и ресурсоемких экспериментов. Вследствие этого, разработка эффективных методов и средств моделирования ФК 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 дисциплингазодинамики, горения, теплообмена, прочности, надежности и долговечности, то есть многодисциплинарных систем анализа.

Как и для любого сложного изделия, процесс проектирования форсажных камер имеет многоуровневый характер, заключающийся в последовательном усложнении используемых математических моделей с одновременным увеличением их размерности при переходе с одного уровня (этапа) на другой.

Для того чтобы проверить соответствие создаваемого узла — форсажной камеры — всем предъявляемым требованиям, уже на этапе проектирования необходимы апробированные, адекватные модели для интегральных характеристик камеры, основных элементарных процессов, отдельных функциональных элементов, а также соответствующие методы проектирования.

Сложность процессов, широкий спектр разнообразных факторов, определяющих закономерности их протекания, трудности при проведении экспериментальных исследований не позволили к настоящему времени создать комплекс надежных математических моделей, обеспечивающих потребности всех этапов проектирования.

В связи с этимтрудоемкий процесс создания форсажных камер ВРД включает как расчетно-конструкторские работы, так и численное моделирование, экспериментальные исследования на моделях, натурных образцах и, наконец, доводку (самый сложный и длительный этап). Так как все составляющие элементы рабочего процесса протекают в потоке движущегося газа, большое внимание уделяется исследованию и моделированию газодинамики форсажных камер.

Особое место при разработке ФК занимают начальные этапы проектирования (техническое предложение и эскизный проект). Именно на них закладывается облик будущей камеры, выбирается тип и размеры основных элементов (геометрия диффузора, тип и эшелонирование стабилизаторов, длина и максимальный диаметр — ФК), проводятся первые предварительные детальные расчеты (газодинамические, тепловые, прочностные). 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 камер сгорания и их элементов для использования на этапах предварительного проектирования и доводки по-прежнему является актуальной задачей.

Среди методов, используемых для моделирования камер сгорания, необходимо отметить модульный метод, основные принципы которого изложены в статье [19]. Преимущества этого метода — универсальность, гибкость, производительность, умеренные требования к вычислительным ресурсам — позволяют рассматривать его, как перспективный базовый метод для разработки многодисциплинарных многоуровневых систем моделирования камер сгорания.

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 камеробоснована 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 методикарешения 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.

На защиту выносятся:

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.

Практическая значимость и внедрение результатов.

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 вариантовболее детального и всестороннего анализа каждого проектного решенияпоявления 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.

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 научнотехнической конференции (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), X, XI 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 технологийна НТК молодых специалистов, инженеров и техников, посвященной годовщине образования ОАО «УМПО» (Уфа, 2007).

Работа выполнена на кафедре авиационных двигателей ГОУ ВПО Уфимского государственного авиационного технического университета.

1 Методы используемые при моделировании камер сгорания.

Основные выводы и результаты.

1. Проведенный анализ методов моделированияфорсажных камер ВРД показал необходимость разработки универсального одномерного метода для использования на этапе предварительного проектирования. Обосновано применение модульного метода для моделирования процессов в форсажных камерах ВРД.

2. Предложен способ декомпозиции форсажных камер на отдельные элементы по функциональным признакам. Разработаны информационные и математические модели этих элементов.

3. Сформулированы основные принципы построения многодисциплинарных систем для проектирования форсажных камер.

4. С использованием этих принципов на основе модульного метода разработана многодисциплинарная двухуровневая система «Afterburner» для моделирования форсажных камер ВРД. Система состоит из подсистем «Формирование облика» и «Детальный расчет», каждая из которых включает библиотеку основных модулей (элементов), информационные потоки, законы расчета.

5. Исследование эффективности использования программного комплекса трехмерного газодинамического моделирования (ANSYS CFX) с целью частичной замены натурного эксперимента численным экспериментом показало, что для диффузоров форсажных камер расхождение опытных и расчетных данных не превышает 7%. Это позволило разработать методику уточнения модели одномерного расчета на основе данных трехмерного моделирования.

6. В разработанной системе «Afterburner» выполнен анализ форсажных камер ТРДДФ на этапах формирования облика и детального расчета, получены геометрические размеры проточной части, параметры рабочего тела по тракту, параметры технического совершенства, температуры экранов и стенок жаровой трубы. Сравнение результатов с экспериментальными данными, показало, что точность расчетов удовлетворяет требованиям этапа предварительного проектирования.

7. Применение системы «Afterburner» позволяет повысить эффективность процесса разработки форсажных камер за счет уменьшения времени проектирования и повышение обоснованности принятых решений путем анализа большого числа вариантов.

8. Система внедрена в процесс разработки форсажных камер на ФГУП «НПП «Мотор» и в учебный процесс ГОУ ВПО УГАТУ.