Аэрокосмический научный журнал. 2017; 3: 1-14
Ординарные математические модели в задачах расчета параметров авиационных ГТД
https://doi.org/10.24108/rdopt.0117.0000059Аннотация
Приведены результаты аналитического обзора ординарных математических моделей рабочего процесса, применяемых для исследования параметров и характеристик авиационных ГТД на всех этапах его создания и эксплуатации. Рассмотрены математические модели нулевого и первого уровня, нашедшие наибольшее применение при решении типовых задач расчета параметров и характеристик двигателей.
Показано, что хотя используемые в ММД первого уровня подходы в своем классическом варианте и используют определенные допущения, характерные для одномерного идеализированного подхода (прежде всего, о неизменности характеристик узлов во всем диапазоне эксплуатационных режимов и условий на входе в двигатель), с помощью определенных дополнительных доработок они могут быть использованы и для расчетных оценок параметров и характеристик в реальных условиях работы двигателя.
Продемонстрировано, что при использовании математических моделей двигателя первого уровня могут возникать ситуации, когда даже путем введения поправочных функций не удается с достаточной степенью точности отразить реальный рабочий процесс в двигателе и его элементах. В этих случаях следует использовать математические модели двигателя более высокого уровня.
Список литературы
1. Истребители 5-го поколения США и Китая - боевые авиакомплексы взаимных угроз в новой геостратегии США на тихоокеанском театре военных действий. (Аналитический обзор по материалам зарубежных информационных источников). М.: ГосНИИАС, 2015. 301 с.
2. Опыт применения методов многофакторной многодисциплинарной стохастической оптимизации в задачах согласования проектных параметров самолета и двигателя / А.Н. Давиденко, О.Д. Селиванов, Ю.А. Эзрохи, А.М. Исянов, Кажан В.Г., Стрелец Д.Ю. // «Авиадвигатели ХХI века»: 2-я Междунар. науч.-техн. конф. (Москва, 6-9 декабря 2005 г.): Тез. докл. Т. 1. М.: ЦИАМ, 2005. С. 225-228.
3. Дружинин Л.Н., Швец Л.И., Ланшин А.И. Математическое моделирование ГТД на современных ЭВМ при исследовании параметров и характеристик авиационных двигателей // Труды ЦИАМ. 1979. № 832. 45 с.
4. Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей / Под ред. С.М. Шляхтенко С.М. 2-е изд. М.: Машиностроение. 1987. 568 с.
5. Хайрулин В.Т., Тихонов А.С., Самохвалов Н.Ю. Проектирование и доводка современных газовых турбин методами трехмерного численного моделирования // Авиадвигатели XXI века: Всероссийская научно-техническая конф. (Москва, 24-27 ноября 2015 г.): Тез. докл. М.: ЦИАМ. 2015. С. 321-322.
6. Архипов Д.В., Тумашев Р.З. Расчетное исследование влияния тангенциального наклона и косого обтекания лопаток направляющего аппарата на работу ступени осевого компрессора // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2015. № 11. C. 178-192. DOI: 10.7463/1115.0825832
7. Караджи С.В., Тумашев Р.З. Сравнение аэродинамических характеристик лопаточных венцов с различной формой оси лопатки // Журнал Сибирского федерального университета. Сер. Техника и технологии. 2012. Т. 5. № 3. С. 245-257.
8. Кривошеев И.А., Рожков К.Е., Симонов Н.Б. Развитие методов расчета характеристик решеток, лопаточных венцов, ступеней и компрессоров на основе обобщения экспериментальных данных // Авиадвигатели XXI века: Всероссийская научно-техническая конф. (Москва, 24-27 ноября 2015 г.): Тез. докл. М.: ЦИАМ. 2015. C. 213-214.
9. Орлов А.И. Экспертные оценки: учебное пособие. М., 2002. 31 с.
10. Архипов Д.В. Особенности аэродинамического проектирования высоконапорных ступеней многоступенчатых осевых компрессоров // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2010. № 3. С. 77-80.
11. Арбеков А.Н., Новицкий Б.Б. Экспериментальное исследование характеристик ступени малоразмерного центробежного компрессора // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2012. № 8. С. 29. DOI: 10.7463/0812.0432308
12. Моляков В.Д., Куникеев Б.А. Особенности проектирования эффективных турбин с учетом влияния радиального зазора // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2014. № 9. С. 9-18. DOI: 10.18698/0536-1044-2014-9-9-18
13. Васюков Г.К., Воробьева Е.А., Щеголев Н.Л. Эффективность газовой завесы в сверхзвуковом плоском сопле при щелевом тангенциальном вдуве // Инженерный вестник. 2014. № 7. С. 36-45. Режим доступа: http://engsi.ru/doc/718728.html (дата обращения 18.12.2016).
14. Литвинов Ю.А., Боровик В.О. Характеристики и эксплуатационные свойства авиационных турбореактивных двигателей. М.: Машиностроение, 1979. 288 с.
15. Магадеев А.Я., Гребенюк Г.П., Гумеров Х.С. О расчете характеристик ГТД при распределенном отборе воздуха от компрессора // Труды ЦИАМ. 1979. № 839. C. 176-182.
16. Эзрохи Ю.А., Каленский С.М., Полев А.С., Дрыгин А.С. 77-30569/381537 Предварительное исследование характеристик гибридных турбореактивных двухконтурных двигателей различных схем для ближне- и среднемагистральных самолетов // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2012. № 3. Режим доступа: http://technomag.bmstu.ru/doc/381537.html (дата обращения 25.11.2016).
17. Иванов В.Л., Щеголев Н.Л., Скибин Д.А. Повышение эффективности двухконтурного турбовентиляторного двигателя введением промежуточного охлаждения при сжатии // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2014. № 11. С. 75-83. DOI: 10.18698/0536-1044-2014-11-75-83
18. Эзрохи Ю.А., Каленский С.М., Полев А.С., Дрыгин А.С., Рябов П.А. Сравнительный анализ параметров и характеристик различных схем силовой установки с дополнительным выносным винтовентилятором // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2012. № 12. DOI: 10.7463/1212.0511469
19. Бурцев С.А., Самойлов М.Ю., Симаков М.В. Анализ экологических аспектов применения перспективных схем силовых установок ближне- и среднемагистральных самолетов // Безопасность в техносфере. 2015. Т. 4. № 2. С. 67 – 72. DOI: 10.12737/11335
20. Троицкий Н.И., Хакимов Х.Х. Анализ возможных путей кратковременного форсирования ГТД на примере вспомогательного газотурбинного энергоагрегата // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2016. № 5. С. 93-103. DOI: 10.7463/0516.0840406
21. Бурцев С.А., Донг Ге. Анализ целесообразности применения водородного топлива для двигателей ближне- и среднемагистральных самолетов // Безопасность в техносфере. 2016. Т. 5. № 2. С. 11-17. DOI: 10.12737/20791
22. Горюнов А.И., Горюнов И.М. Учет влияния неравномерности параметров рабочего тела на характеристики узлов ГТД и ЭУ // Вестник Уфимского гос. авиационного техн. ун-та. 2010. Т. 14. № 3 (38). С. 57-61.
23. Бочкарев С.К., Кулагин В.В., Полукеев С.П. Оценка разброса величин, описывающих характеристики узлов серийных ГТД // Труды ЦИАМ. 1979. № 839. С. 268-272.
24. Цховребов М.М., Худяков Е.И. Математическое моделирование изменения параметров ТРДД в процессе эксплуатации // ЦИАМ 2001-2005. Основные результаты научно-технической деятельности / Под ред. В.А. Скибина, В.И. Солонина, М.Я. Иванова. Т. 1. Раздел 1.1. М.: ЦИАМ, 2005. С. 61-64.
25. Машиностроение: Энциклопедия. Т. IV-21: Самолеты и вертолеты. Кн. 3: Авиационные двигатели / Ред.-сост. В.А. Скибин, В.А. Сосунов, Ю.М. Темис; отв. ред. К.С. Колесников. М.: Машиностроение, 2010. 720 с.
26. Бойко Л.Г., Карпенко Е.Л. Метод расчета характеристик турбовального двигателя с повенцовым расчетом многоступенчатого осевого компрессора // Вестник двигателестроения. 2007. № 3. С. 143-146.
Aerospace Scientific Journal. 2017; 3: 1-14
Ordinary Mathematical Models in Calculating the Aviation GTE Parameters
https://doi.org/10.24108/rdopt.0117.0000059Abstract
The paper presents the analytical review results of the ordinary mathematical models of the operating process used to study aviation GTE parameters and characteristics at all stages of its creation and operation. Considers the mathematical models of the zero and the first level, which are mostly used when solving typical problems in calculating parameters and characteristics of engines.
Presents a number of practical problems arising in designing aviation GTE for various applications.
The application of mathematical models of the zero-level engine can be quite appropriate when the engine is considered as a component in the aircraft system to estimate its calculated individual flight performance or when modeling the flight cycle of the aircrafts of different purpose.
The paper demonstrates that introduction of correction functions into the first-level mathematical models in solving typical problems (influence of the Reynolds number, characteristics deterioration of the units during the overhaul period of engine, as well as influence of the flow inhomogeneity at the inlet because of manufacturing tolerance, etc.) enables providing a sufficient engineering estimate accuracy to reflect a realistic operating process in the engine and its elements.
References
1. Istrebiteli 5-go pokoleniya SShA i Kitaya - boevye aviakompleksy vzaimnykh ugroz v novoi geostrategii SShA na tikhookeanskom teatre voennykh deistvii. (Analiticheskii obzor po materialam zarubezhnykh informatsionnykh istochnikov). M.: GosNIIAS, 2015. 301 s.
2. Opyt primeneniya metodov mnogofaktornoi mnogodistsiplinarnoi stokhasticheskoi optimizatsii v zadachakh soglasovaniya proektnykh parametrov samoleta i dvigatelya / A.N. Davidenko, O.D. Selivanov, Yu.A. Ezrokhi, A.M. Isyanov, Kazhan V.G., Strelets D.Yu. // «Aviadvigateli KhKhI veka»: 2-ya Mezhdunar. nauch.-tekhn. konf. (Moskva, 6-9 dekabrya 2005 g.): Tez. dokl. T. 1. M.: TsIAM, 2005. S. 225-228.
3. Druzhinin L.N., Shvets L.I., Lanshin A.I. Matematicheskoe modelirovanie GTD na sovremennykh EVM pri issledovanii parametrov i kharakteristik aviatsionnykh dvigatelei // Trudy TsIAM. 1979. № 832. 45 s.
4. Teoriya i raschet vozdushno-reaktivnykh dvigatelei / Pod red. S.M. Shlyakhtenko S.M. 2-e izd. M.: Mashinostroenie. 1987. 568 s.
5. Khairulin V.T., Tikhonov A.S., Samokhvalov N.Yu. Proektirovanie i dovodka sovremennykh gazovykh turbin metodami trekhmernogo chislennogo modelirovaniya // Aviadvigateli XXI veka: Vserossiiskaya nauchno-tekhnicheskaya konf. (Moskva, 24-27 noyabrya 2015 g.): Tez. dokl. M.: TsIAM. 2015. S. 321-322.
6. Arkhipov D.V., Tumashev R.Z. Raschetnoe issledovanie vliyaniya tangentsial'nogo naklona i kosogo obtekaniya lopatok napravlyayushchego apparata na rabotu stupeni osevogo kompressora // Nauka i obrazovanie. MGTU im. N.E. Baumana. Elektron. zhurn. 2015. № 11. C. 178-192. DOI: 10.7463/1115.0825832
7. Karadzhi S.V., Tumashev R.Z. Sravnenie aerodinamicheskikh kharakteristik lopatochnykh ventsov s razlichnoi formoi osi lopatki // Zhurnal Sibirskogo federal'nogo universiteta. Ser. Tekhnika i tekhnologii. 2012. T. 5. № 3. S. 245-257.
8. Krivosheev I.A., Rozhkov K.E., Simonov N.B. Razvitie metodov rascheta kharakteristik reshetok, lopatochnykh ventsov, stupenei i kompressorov na osnove obobshcheniya eksperimental'nykh dannykh // Aviadvigateli XXI veka: Vserossiiskaya nauchno-tekhnicheskaya konf. (Moskva, 24-27 noyabrya 2015 g.): Tez. dokl. M.: TsIAM. 2015. C. 213-214.
9. Orlov A.I. Ekspertnye otsenki: uchebnoe posobie. M., 2002. 31 s.
10. Arkhipov D.V. Osobennosti aerodinamicheskogo proektirovaniya vysokonapornykh stupenei mnogostupenchatykh osevykh kompressorov // Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Ser. Mashinostroenie. 2010. № 3. S. 77-80.
11. Arbekov A.N., Novitskii B.B. Eksperimental'noe issledovanie kharakteristik stupeni malorazmernogo tsentrobezhnogo kompressora // Nauka i obrazovanie. MGTU im. N.E. Baumana. 2012. № 8. S. 29. DOI: 10.7463/0812.0432308
12. Molyakov V.D., Kunikeev B.A. Osobennosti proektirovaniya effektivnykh turbin s uchetom vliyaniya radial'nogo zazora // Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Mashinostroenie. 2014. № 9. S. 9-18. DOI: 10.18698/0536-1044-2014-9-9-18
13. Vasyukov G.K., Vorob'eva E.A., Shchegolev N.L. Effektivnost' gazovoi zavesy v sverkhzvukovom ploskom sople pri shchelevom tangentsial'nom vduve // Inzhenernyi vestnik. 2014. № 7. S. 36-45. Rezhim dostupa: http://engsi.ru/doc/718728.html (data obrashcheniya 18.12.2016).
14. Litvinov Yu.A., Borovik V.O. Kharakteristiki i ekspluatatsionnye svoistva aviatsionnykh turboreaktivnykh dvigatelei. M.: Mashinostroenie, 1979. 288 s.
15. Magadeev A.Ya., Grebenyuk G.P., Gumerov Kh.S. O raschete kharakteristik GTD pri raspredelennom otbore vozdukha ot kompressora // Trudy TsIAM. 1979. № 839. C. 176-182.
16. Ezrokhi Yu.A., Kalenskii S.M., Polev A.S., Drygin A.S. 77-30569/381537 Predvaritel'noe issledovanie kharakteristik gibridnykh turboreaktivnykh dvukhkonturnykh dvigatelei razlichnykh skhem dlya blizhne- i srednemagistral'nykh samoletov // Nauka i obrazovanie. MGTU im. N.E. Baumana. Elektron. zhurn. 2012. № 3. Rezhim dostupa: http://technomag.bmstu.ru/doc/381537.html (data obrashcheniya 25.11.2016).
17. Ivanov V.L., Shchegolev N.L., Skibin D.A. Povyshenie effektivnosti dvukhkonturnogo turboventilyatornogo dvigatelya vvedeniem promezhutochnogo okhlazhdeniya pri szhatii // Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Mashinostroenie. 2014. № 11. S. 75-83. DOI: 10.18698/0536-1044-2014-11-75-83
18. Ezrokhi Yu.A., Kalenskii S.M., Polev A.S., Drygin A.S., Ryabov P.A. Sravnitel'nyi analiz parametrov i kharakteristik razlichnykh skhem silovoi ustanovki s dopolnitel'nym vynosnym vintoventilyatorom // Nauka i obrazovanie. MGTU im. N.E. Baumana. Elektron. zhurn. 2012. № 12. DOI: 10.7463/1212.0511469
19. Burtsev S.A., Samoilov M.Yu., Simakov M.V. Analiz ekologicheskikh aspektov primeneniya perspektivnykh skhem silovykh ustanovok blizhne- i srednemagistral'nykh samoletov // Bezopasnost' v tekhnosfere. 2015. T. 4. № 2. S. 67 – 72. DOI: 10.12737/11335
20. Troitskii N.I., Khakimov Kh.Kh. Analiz vozmozhnykh putei kratkovremennogo forsirovaniya GTD na primere vspomogatel'nogo gazoturbinnogo energoagregata // Nauka i obrazovanie. MGTU im. N.E. Baumana. 2016. № 5. S. 93-103. DOI: 10.7463/0516.0840406
21. Burtsev S.A., Dong Ge. Analiz tselesoobraznosti primeneniya vodorodnogo topliva dlya dvigatelei blizhne- i srednemagistral'nykh samoletov // Bezopasnost' v tekhnosfere. 2016. T. 5. № 2. S. 11-17. DOI: 10.12737/20791
22. Goryunov A.I., Goryunov I.M. Uchet vliyaniya neravnomernosti parametrov rabochego tela na kharakteristiki uzlov GTD i EU // Vestnik Ufimskogo gos. aviatsionnogo tekhn. un-ta. 2010. T. 14. № 3 (38). S. 57-61.
23. Bochkarev S.K., Kulagin V.V., Polukeev S.P. Otsenka razbrosa velichin, opisyvayushchikh kharakteristiki uzlov seriinykh GTD // Trudy TsIAM. 1979. № 839. S. 268-272.
24. Tskhovrebov M.M., Khudyakov E.I. Matematicheskoe modelirovanie izmeneniya parametrov TRDD v protsesse ekspluatatsii // TsIAM 2001-2005. Osnovnye rezul'taty nauchno-tekhnicheskoi deyatel'nosti / Pod red. V.A. Skibina, V.I. Solonina, M.Ya. Ivanova. T. 1. Razdel 1.1. M.: TsIAM, 2005. S. 61-64.
25. Mashinostroenie: Entsiklopediya. T. IV-21: Samolety i vertolety. Kn. 3: Aviatsionnye dvigateli / Red.-sost. V.A. Skibin, V.A. Sosunov, Yu.M. Temis; otv. red. K.S. Kolesnikov. M.: Mashinostroenie, 2010. 720 s.
26. Boiko L.G., Karpenko E.L. Metod rascheta kharakteristik turboval'nogo dvigatelya s poventsovym raschetom mnogostupenchatogo osevogo kompressora // Vestnik dvigatelestroeniya. 2007. № 3. S. 143-146.
