Журналов:     Статей:        

Аэрокосмический научный журнал. 2017; 3: 34-47

Математические модели высокого уровня в задачах расчета параметров авиационных ГТД

Эзрохи Ю. А., Хорева Е. А.

https://doi.org/10.24108/aersp.0217.0000061

Аннотация

В статье описаны математические модели высокого уровня, предназначенные для решения специальных задач, возникающих на более поздних стадиях проектирования и связанных с расчетом авиационного ГТД в реальных условиях эксплуатации. Применение повенцовых математических моделей, а также математических моделей более высокого уровня, включающих 2D и 3D описание рабочего процесса в узлах и элементах двигателя, позволяет определять параметры и характеристики авиационного двигателя в условиях, значительно отличающихся от расчетных.

Рассмотрено применения методов математического моделирования (МММ) при решении широкого ряда практических задач, таких как форсирование двигателя впрыском воды в проточную часть, оценка влияния тепловой нестационарности на характеристики ГТД, моделирование режимов запуска и авторотации двигателя и другие. Показано, что применение МММ при оптимизации в системе двигателя законов регулирования направляющих аппаратов компрессора, а также подачи охлаждающего воздуха в горячие элементы турбины может позволить значительно улучшить интегральные тягово-экономические характеристики двигателя с учетом сохранения его газодинамической устойчивости, надежности и ресурса.

Следует иметь в виду, что повенцовые математические модели двигателя предназначены для решения чисто «двигательных» задач и не подменяют существующие модели различного уровня сложности, применяемые при расчете и проектировании компрессоров и турбин, так как по «качеству» описания рабочих процессов в этих узлах неизбежно уступают таким специализированным моделям.

Показано, что выбор уровня математического моделирования авиационного двигателя для решения той или иной задачи, возникающей при его проектировании и расчетном исследовании, является в значительной степени компромиссной задачей. Несмотря на существенно более высокую «разрешающая способность» и информативность двигательные математические модели, содержащие 2D и 3D подходы к расчету течения в элементах лопаточных машин, нашли достаточно ограниченное применение в практике расчетных исследований авиационных двигателей, а применяются, в основном, при проектировании вентиляторов, компрессоров и турбин, а также поверочных автономных расчетах этих узлов.

Список литературы

1. Эзрохи Ю.А. Моделирование двигателя и его узлов // Машиностроение: Энциклопедия. Раздел IV: Расчет и конструирование машин. Т. IV-21: Самолеты и вертолеты. Кн. 3: Авиационные двигатели / Ред.-сост. В.А. Скибин, Ю.М. Темис, В.А. Сосунов; отв. ред. К.С. Колесников. М.: Машиностроение, 2010. С. 341-353.

2. Хорева Е.А., Эзрохи Ю.А. Ординарные математические модели в задачах расчета параметров авиационных ГТД // Аэрокосмический научный журнал. 2017. Т. 3. № 1. DOI: 10.24108/rdopt.0117.0000059

3. Теория авиационных двигателей: учебник. Ч. 1 / Ю.Н. Нечаев, Р.М. Федоров, В.Н. Котовский, А.С. Полев; под ред. Ю.Н. Нечаева. М.: Изд-во Военно-воздушной инженерной академии им. проф. Н.Е. Жуковского, 2006. 366 с.

4. Эзрохи Ю.А. Моделирование и исследование влияния впрыска испаряющейся жидкости в проточную часть ГТД на его характеристики // Вопросы авиационной науки и техники. Сер.: Авиационное двигателестроение. М.: ЦИАМ, 1991. Вып. 3. С. 21-36.

5. Эзрохи Ю.А., Харьковский С.В. Адаптивная система охлаждения турбины низкого давления ТРДД // Двигатель. 2012. № 5. С. 12-13.

6. Veres J.P., Jones S.M., Jorgenson P.C.E. Performance modeling of honeywell turbofan engine tested with ice crystal ingestion in the NASA Propulsion System Laboratory // SAE 2015 Intern. conf. on icing of aircraft, engines and structures (Prague, Czech Republic, June 22-25, 2015): Technical papers. Warrendale: SAE, 2015. 10 p. DOI: 10.4271/2015-01-2133

7. Теория авиационных двигателей: учебник. Ч. 2 / Ю.Н. Нечаев, Р.М. Федоров, В.Н. Котовский, А.С. Полев; под ред. Ю.Н. Нечаева. М.: Изд-во Военно-воздушной инженерной Академии им. проф. Н.Е. Жуковского, 2007. 447 с.

8. Бойко Л.Г., Карпенко Е.Л. Метод расчета характеристик турбовального двигателя с повенцовым описанием многоступенчатого осевого компрессора // Вестник двигателестроения. 2007. № 3. С. 143-146.

9. Эзрохи Ю.А. Математическое моделирование авиационных ГТД с повенцовым описанием лопаточных машин в системе двигателя // Вопросы авиационной науки и техники. Сер.: Авиационное двигателестроение. М.: ЦИАМ, 1995. Вып. 1. С. 28-51.

10. Сосунов В.А., Литвинов Ю.А. Неустановившиеся режимы работ авиационных газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1975. 216 с.

11. 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. Электрон. журн. 2016. № 5. С. 93-103. DOI: 10.7463/0516.0840406

12. Tsuchia T., Murthy S.N.B. Axial-compressor flow distortion with water ingestion // AIAA 21st Aerospace Sciences Meeting (Reno, Nevada, USA, January 10-13, 1983): Proc. N.Y.: AIAA, 1983. 9 p.

13. 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.

14. Беркович А.Л. Исследование движения жидкой фазы в проточной части осевого компрессора // Известия высших учебных заведений. Энергетика. 1987. № 9. С. 66-67.

15. Вараксин А.Ю. Гидрогазодинамика и теплофизика двухфазных потоков: проблемы и достижения (обзор) // Теплофизика высоких температур. 2013. Т. 51. № 3. С.421-455.

16. Эзрохи Ю.А., Антонов А.Н. Математическое моделирование авиационного газотурбинного двигателя на установившихся и переходных режимах с учетом элементов тепловой и газодинамической нестационарности // Авиационные двигатели и силовые установки / Под ред. А.И. Ланшина. 2-е изд. М.: Торус Пресс, 2010. С.160-193.

17. Теплопередача в охлаждаемых деталях газотурбинных двигателей летательных аппаратов / В.И. Локай, М.Н. Бодунов, В.В. Жуйков, А.В. Щукин. М.: Машиностроение, 1985. 216 с.

18. Холщевников К.В., Емин О.Н., Митрохин В.Т. Теория и расчет авиационных лопаточных машин: учебник. 2-е изд. М.: Машиностроение, 1986. 432 с.

19. Иванов В.Л. Воздушное охлаждение лопаток газовых турбин: учеб. пособие / под ред. М.И. Осипова. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013. 94 с.

20. Иванов В.Л., Седлов А.А. Численное моделирование газодинамики и теплообмена при струйном натекании на поверхность // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 2012. № 4. С. 75-78.

21. Дрыгин А.С., Евстигнеев А.А., Полев А.С., Эзрохи Ю.А. Повышение уровня моделирования лопаточных машин в системе математической модели ГТД // Двигатель. 2012. № 6. С. 10-12.

22. Милешин В.И., Коржнев В.Н., Фатеев В.А., Степанов А.В. и др. Экспериментальное исследование влияния числа Рейнольдса на характеристики двухступенчатого компрессора. Влияние неоднородности входного потока на характеристики высоконапорной широкохордной ступени вентилятора // Основные результаты научно-технической деятельности ЦИАМ 2015-2016: науч.-техн. сб. М.: ЦИАМ, 2016. С. 254-258.

23. Краснов С.Е. Устойчивость авиационных ГТД (опыт математического моделирования) // Техника воздушного флота. 2016. Т. 90. № 2-3. С. 3-69.

24. Colin Y., Aupoix B., Boussuge J.F., Chanez P. Numerical simulation of the distortion generated by crosswind inlet flows // 18th Intern. symp. on air breathing engines: ISABE 2007 (Beijing, China, Sept. 2-7, 2007): Proc. N.Y.: AIAA, 2007. 12 p.

25. Иванов М.Я., Нигматуллин Р.З. Аэродинамика проточной части ГТД // ЦИАМ 2001-2005. Основные результаты научно-технической деятельности / Под общ. науч. ред. В.А. Скибина, В.И. Солонина, М.Я. Иванова. Т. 1. М.: ЦИАМ, 2005. С.80-84.

26. Макаров В.Е., Андреев С.П., Берсенева Н.В., Федорченко Ю.П., Фролов В.Н., Орлова Я.В., Пашкевич Е.П. Многоуровневая математическая модель ТРДД большой степени двухконтурности, объединяющая 3D модели узлов системы низкого давления и 1D модель двигателя // Всероссийская науч.-техн. конф. «Авиадвигатели XXI века» (Москва, ЦИАМ им. П.И. Баранова, 24-27 ноября 2015 г.): Сборник тезисов докладов. М.: ЦИАМ, 2015. С. 83-85.

27. Архипов Д.В. Особенности аэродинамического проектирования высоконапорных ступеней многоступенчатых осевых компрессоров // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Машиностроение. 2010. № 3. С. 77-80.

28. 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: 10.18698/0536-1044-214-9-9-18

29. Милешин В.И., Орехов И.К., Старцев А.Н., Щипин С.К. Новый трехмерный метод решения обратной задачи для уравнений Навье-Стокса применительно к проектированию венцов турбомашин // ЦИАМ 2001-2005. Основные результаты научно-технической деятельности / Под общ. науч. ред. В.А. Скибина, В.И. Солонина, М.Я. Иванова. Т. 1. М.: ЦИАМ, 2005. С. 254-262.

Aerospace Scientific Journal. 2017; 3: 34-47

The High Level Mathematical Models in Calculating Aircraft Gas Turbine Engine Parameters

Ezrokhi Yu. A., Khoreva E. A.

https://doi.org/10.24108/aersp.0217.0000061

Abstract

The article describes high-level mathematical models developed to solve special problems arising at later stages of design with regard to calculation of the aircraft gas turbine engine (GTE) under real operating conditions. The use of blade row mathematics models, as well as mathematical models of a higher level, including 2D and 3D description of the working process in the engine units and components, makes it possible to determine parameters and characteristics of the aircraft engine under conditions significantly different from the calculated ones.

The paper considers application of mathematical modelling methods (MMM) for solving a wide range of practical problems, such as forcing the engine by injection of water into the flowing part, estimate of the thermal instability effect on the GTE characteristics, simulation of engine start-up and windmill starting condition, etc. It shows that the MMM use, when optimizing the laws of the compressor stator control, as well as supplying cooling air to the hot turbine components in the motor system, can significantly improve the integral traction and economic characteristics of the engine in terms of its gas-dynamic stability, reliability and resource.

It ought to bear in mind that blade row mathematical models of the engine are designed to solve purely "motor" problems and do not replace the existing models of various complexity levels used in calculation and design of compressors and turbines, because in “quality” a description of the working processes in these units is inevitably inferior to such specialized models.

It is shown that the choice of the mathematical modelling level of an aircraft engine for solving a particular problem arising in its designing and computational study is to a large extent a compromise problem. Despite the significantly higher "resolution" and information ability the motor mathematical models containing 2D and 3D approaches to the calculation of flow in blade machine components have found quite a limited application in practice of computational studies of the aircraft engines and are mainly used in designing the fans, compressors and turbines, as well as in verifying autonomous calculations of these units.

References

1. Ezrokhi Yu.A. Modelirovanie dvigatelya i ego uzlov // Mashinostroenie: Entsiklopediya. Razdel IV: Raschet i konstruirovanie mashin. T. IV-21: Samolety i vertolety. Kn. 3: Aviatsionnye dvigateli / Red.-sost. V.A. Skibin, Yu.M. Temis, V.A. Sosunov; otv. red. K.S. Kolesnikov. M.: Mashinostroenie, 2010. S. 341-353.

2. Khoreva E.A., Ezrokhi Yu.A. Ordinarnye matematicheskie modeli v zadachakh rascheta parametrov aviatsionnykh GTD // Aerokosmicheskii nauchnyi zhurnal. 2017. T. 3. № 1. DOI: 10.24108/rdopt.0117.0000059

3. Teoriya aviatsionnykh dvigatelei: uchebnik. Ch. 1 / Yu.N. Nechaev, R.M. Fedorov, V.N. Kotovskii, A.S. Polev; pod red. Yu.N. Nechaeva. M.: Izd-vo Voenno-vozdushnoi inzhenernoi akademii im. prof. N.E. Zhukovskogo, 2006. 366 s.

4. Ezrokhi Yu.A. Modelirovanie i issledovanie vliyaniya vpryska isparyayushcheisya zhidkosti v protochnuyu chast' GTD na ego kharakteristiki // Voprosy aviatsionnoi nauki i tekhniki. Ser.: Aviatsionnoe dvigatelestroenie. M.: TsIAM, 1991. Vyp. 3. S. 21-36.

5. Ezrokhi Yu.A., Khar'kovskii S.V. Adaptivnaya sistema okhlazhdeniya turbiny nizkogo davleniya TRDD // Dvigatel'. 2012. № 5. S. 12-13.

6. Veres J.P., Jones S.M., Jorgenson P.C.E. Performance modeling of honeywell turbofan engine tested with ice crystal ingestion in the NASA Propulsion System Laboratory // SAE 2015 Intern. conf. on icing of aircraft, engines and structures (Prague, Czech Republic, June 22-25, 2015): Technical papers. Warrendale: SAE, 2015. 10 p. DOI: 10.4271/2015-01-2133

7. Teoriya aviatsionnykh dvigatelei: uchebnik. Ch. 2 / Yu.N. Nechaev, R.M. Fedorov, V.N. Kotovskii, A.S. Polev; pod red. Yu.N. Nechaeva. M.: Izd-vo Voenno-vozdushnoi inzhenernoi Akademii im. prof. N.E. Zhukovskogo, 2007. 447 s.

8. Boiko L.G., Karpenko E.L. Metod rascheta kharakteristik turboval'nogo dvigatelya s poventsovym opisaniem mnogostupenchatogo osevogo kompressora // Vestnik dvigatelestroeniya. 2007. № 3. S. 143-146.

9. Ezrokhi Yu.A. Matematicheskoe modelirovanie aviatsionnykh GTD s poventsovym opisaniem lopatochnykh mashin v sisteme dvigatelya // Voprosy aviatsionnoi nauki i tekhniki. Ser.: Aviatsionnoe dvigatelestroenie. M.: TsIAM, 1995. Vyp. 1. S. 28-51.

10. Sosunov V.A., Litvinov Yu.A. Neustanovivshiesya rezhimy rabot aviatsionnykh gazoturbinnykh dvigatelei. M.: Mashinostroenie, 1975. 216 s.

11. 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. Elektron. zhurn. 2016. № 5. S. 93-103. DOI: 10.7463/0516.0840406

12. Tsuchia T., Murthy S.N.B. Axial-compressor flow distortion with water ingestion // AIAA 21st Aerospace Sciences Meeting (Reno, Nevada, USA, January 10-13, 1983): Proc. N.Y.: AIAA, 1983. 9 p.

13. 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.

14. Berkovich A.L. Issledovanie dvizheniya zhidkoi fazy v protochnoi chasti osevogo kompressora // Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Energetika. 1987. № 9. S. 66-67.

15. Varaksin A.Yu. Gidrogazodinamika i teplofizika dvukhfaznykh potokov: problemy i dostizheniya (obzor) // Teplofizika vysokikh temperatur. 2013. T. 51. № 3. S.421-455.

16. Ezrokhi Yu.A., Antonov A.N. Matematicheskoe modelirovanie aviatsionnogo gazoturbinnogo dvigatelya na ustanovivshikhsya i perekhodnykh rezhimakh s uchetom elementov teplovoi i gazodinamicheskoi nestatsionarnosti // Aviatsionnye dvigateli i silovye ustanovki / Pod red. A.I. Lanshina. 2-e izd. M.: Torus Press, 2010. S.160-193.

17. Teploperedacha v okhlazhdaemykh detalyakh gazoturbinnykh dvigatelei letatel'nykh apparatov / V.I. Lokai, M.N. Bodunov, V.V. Zhuikov, A.V. Shchukin. M.: Mashinostroenie, 1985. 216 s.

18. Kholshchevnikov K.V., Emin O.N., Mitrokhin V.T. Teoriya i raschet aviatsionnykh lopatochnykh mashin: uchebnik. 2-e izd. M.: Mashinostroenie, 1986. 432 s.

19. Ivanov V.L. Vozdushnoe okhlazhdenie lopatok gazovykh turbin: ucheb. posobie / pod red. M.I. Osipova. M.: Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana, 2013. 94 s.

20. Ivanov V.L., Sedlov A.A. Chislennoe modelirovanie gazodinamiki i teploobmena pri struinom natekanii na poverkhnost' // Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Aviatsionnaya tekhnika. 2012. № 4. S. 75-78.

21. Drygin A.S., Evstigneev A.A., Polev A.S., Ezrokhi Yu.A. Povyshenie urovnya modelirovaniya lopatochnykh mashin v sisteme matematicheskoi modeli GTD // Dvigatel'. 2012. № 6. S. 10-12.

22. Mileshin V.I., Korzhnev V.N., Fateev V.A., Stepanov A.V. i dr. Eksperimental'noe issledovanie vliyaniya chisla Reinol'dsa na kharakteristiki dvukhstupenchatogo kompressora. Vliyanie neodnorodnosti vkhodnogo potoka na kharakteristiki vysokonapornoi shirokokhordnoi stupeni ventilyatora // Osnovnye rezul'taty nauchno-tekhnicheskoi deyatel'nosti TsIAM 2015-2016: nauch.-tekhn. sb. M.: TsIAM, 2016. S. 254-258.

23. Krasnov S.E. Ustoichivost' aviatsionnykh GTD (opyt matematicheskogo modelirovaniya) // Tekhnika vozdushnogo flota. 2016. T. 90. № 2-3. S. 3-69.

24. Colin Y., Aupoix B., Boussuge J.F., Chanez P. Numerical simulation of the distortion generated by crosswind inlet flows // 18th Intern. symp. on air breathing engines: ISABE 2007 (Beijing, China, Sept. 2-7, 2007): Proc. N.Y.: AIAA, 2007. 12 p.

25. Ivanov M.Ya., Nigmatullin R.Z. Aerodinamika protochnoi chasti GTD // TsIAM 2001-2005. Osnovnye rezul'taty nauchno-tekhnicheskoi deyatel'nosti / Pod obshch. nauch. red. V.A. Skibina, V.I. Solonina, M.Ya. Ivanova. T. 1. M.: TsIAM, 2005. S.80-84.

26. Makarov V.E., Andreev S.P., Berseneva N.V., Fedorchenko Yu.P., Frolov V.N., Orlova Ya.V., Pashkevich E.P. Mnogourovnevaya matematicheskaya model' TRDD bol'shoi stepeni dvukhkonturnosti, ob\"edinyayushchaya 3D modeli uzlov sistemy nizkogo davleniya i 1D model' dvigatelya // Vserossiiskaya nauch.-tekhn. konf. «Aviadvigateli XXI veka» (Moskva, TsIAM im. P.I. Baranova, 24-27 noyabrya 2015 g.): Sbornik tezisov dokladov. M.: TsIAM, 2015. S. 83-85.

27. Arkhipov D.V. Osobennosti aerodinamicheskogo proektirovaniya vysokonapornykh stupenei mnogostupenchatykh osevykh kompressorov // Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Mashinostroenie. 2010. № 3. S. 77-80.

28. 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: 10.18698/0536-1044-214-9-9-18

29. Mileshin V.I., Orekhov I.K., Startsev A.N., Shchipin S.K. Novyi trekhmernyi metod resheniya obratnoi zadachi dlya uravnenii Nav'e-Stoksa primenitel'no k proektirovaniyu ventsov turbomashin // TsIAM 2001-2005. Osnovnye rezul'taty nauchno-tekhnicheskoi deyatel'nosti / Pod obshch. nauch. red. V.A. Skibina, V.I. Solonina, M.Ya. Ivanova. T. 1. M.: TsIAM, 2005. S. 254-262.