Наука

(Продолжение, начало в №3)

В настоящее время ЦИАМ, располагает большим заделом по высоконапорным осевым ступеням в диапазоне степеней сжатия от 1,5 до 2,5. Он является одним из мировых лидеров в создании трансзвуковых и сверхзвуковых ступеней перспективных компрессоров с уменьшенным числом высоконагруженных стреловидных лопаток. Для их проектирования разработаны математические модели и алгоритмы разного уровня. Решение обратных задач позволяет обеспечить благоприятные распределения статического давления невязкого потока на поверхности лопатки. Результаты проектирования контролируются расчетами трехмерного вязкого течения в многовенцовой системе. Программа оптимизации завершает процесс создания многоступенчатого компрессора и определяет условия обтекания каждого венца на всех режимах работы двигателя. Использование этих матмоделей и алгоритмов при перепроектировании ранее созданных высоконапорных ступеней повышает их КПД на 1,5...2 %.
Сейчас разрабатываются высоконапорные ступени центробежных компрессоров на степени сжатия 8...10 и КПД ~ 0,8. В их составе рабочее колесо с двумя-тремя промежуточными лопатками и двухрядный диффузор. Наряду с дозвуковыми рассматриваются сверхзвуковые рабочие колеса. Проектирование центробежных ступеней осуществляется с обязательными расчетами вязкого течения. В результате удается избежать отрывов потока и обеспечить согласование ротора с лопаточным диффузором. Значителен вклад ученых ЦИАМ в построение матмоделей физической газовой динамики. Это - модели движения многофазных сред с конденсацией, испарением, горением, затвердеванием капель и т.п. В моделях химической кинетики учтено влияние неравновесного возбуждения колебательных степеней свободы молекул на скорости реакций. В электро- и магнитной газодинамике описаны влияния соответствующих полей на движение газа, горение, образование различных выбросов и т.д. Для описания воздействия венцов вентилятора на течение, наряду с детальными расчетами в рамках уравнений Эйлера, Навье-Стокса или Рейнольдса, используются специальные поверхности разрыва (активные и пассивные диски).
В качестве иллюстрации возможностей моделей физической газовой динамики приведем здесь результаты матмоделирования течения спонтанно конденсирующегося пара. Данная проблема интересна и в связи с авиационными приложениями, и применительно к стационарным энергетическим установкам. Результаты расчета течения конденсирующегося пара в плоском сопле с полувысотой минимального сечения h для трех температур торможения Т0 на входе в сопло представлены на рисунке,

где показаны линии равных значений числа М. Течение чрезвычайно чувствительно к изменению Т0: при уменьшении Т0 на 2 % образуется инициированный конденсацией почти прямой скачок, при дальнейшем понижении температуры пара на входе в сопло течение в горле сопла становится нестационарным.
Другим важнейшим фактором, определяющим качество конструкторских решений, является матмоделирование напряженно-деформированного состояния (НДС) деталей и узлов ГТД. Созданные в ЦИАМ модели и алгоритмы обеспечивают матмоделирование прочности и динамики конструкций двигателей на всех этапах разработки. Это предполагает интеграцию моделей разного уровня: от простейших моделей концептуального проектирования до моделей кинетики трехмерного НДС конструкций, узлов и деталей, работающих в условиях нестационарных термических воздействий, а также моделей прогноза ресурса и долговечности конструкций.
В ряде случаев матмоделирование позволяет отказаться от дорогостоящих и длительных экспериментов для подтверждения принятых конструкторских решений. Благодаря использованию моделей газовой динамики, теплопроводности и прочности, интегрированных с конструкторской системой, "в разы" сокращается стоимость и сроки проектирования таких ответственных узлов, как компрессор и турбина. В результате уже первые изготовленные экземпляры этих узлов обеспечивают заявленные рабочие параметры.
Нелинейные эффекты статического деформирования лопатки и колеса компрессора существенно влияют на динамическое состояние изолированной лопатки и диска с лопаточным венцом. Применение матмоделирования НДС, собственных форм и частот колебаний лопатки предполагает предварительное решение задачи нелинейного статического равновесия лопатки с учетом центробежных сил. Зависимость жесткости лопатки от частоты вращения существенно сказывается на частотных характеристиках изолированных лопатки и колеса. Применяемая в ЦИАМ методика моделирования форм и частот колебаний лопаток и дисков с лопатками описывает лопатку методом конечных элементов в рамках нелинейных теорий оболочек и закрученных стержней. Она позволяет исследовать инверсию форм колебаний изолированной лопатки и образование соответствующих им семейств форм колебаний диска с лопатками, что является диагностическими признаками для идентификации экспериментальных результатов. Управление параметрами, определяющими эти диагностические признаки, позволяет еще на стадии проектирования обеспечить динамическую отстройку от резонансных колебаний и флаттера на рабочих режимах.
Стремление получить конструкцию минимального веса ведет к тому, что в локальных зонах замкового соединения возникают значительные упругопластические деформации и напряжения. Часто именно они определяют ресурс конструкции. Обеспечение гарантированного ресурса требует разработки адекватных моделей его прогноза. Опыт ЦИАМ в разработке и применении матмоделей ресурса показывает, что квалифицированный прогноз гарантирует высокую надежность создаваемых конструкций. Однако это предполагает глубокое понимание характера упругопластического деформирования материала деталей в зонах концентрации напряжений. Определение упругопластических деформаций и напряжений на основе матмоделей пластичности и ползучести опирается на решение нелинейных задач упругопластического контактного взаимодействия.
Анализ поведения материала при циклическом деформировании и разработка стохастической модели характеристик его прочности позволили получить зависимость ресурса малоцикловой усталости диска от разброса его механических характеристик. Уровень разработанных в ЦИАМ моделей ресурса позволяет создавать имитационные модели прогноза долговечности лопаток, дисков и роторов с учетом разброса механических характеристик конструкционных материалов, отклонений в технологии изготовления и реальных условий эксплуатации. Все это позволяет перейти к прогнозу жизненного цикла изделия. Аналогичные подходы реализуются при создании конструкций из керамических и композитных материалов, при разработке которых роль матмоделирования является определяющей.
Матмодели статического и динамического деформированного состояний двигателя, оценки несущей способности и прогноза ресурса деталей и узлов основываются на методе конечных элементов (МКЭ) и методе граничных элементов, объединенных с моделями конструкционных материалов. Наряду с применением программного комплекса ANSYS в ЦИАМ разработаны специализированные комплексы МКЭ, предназначенные для использования на всех этапах создания двигателя. Интеграция с системой UNIGRAPHIX обеспечивает оперативность выполнения расчетов и исследований.

Примером такой интеграции служит конечно-элементная модель корпуса двигателя.

Представленная схематизация учитывает асимметрию подвески двигателя на летательном аппарате и позволяет определять НДС корпуса двигателя в целом, в том числе овализацию корпуса, которую необходимо учитывать при назначении радиальных зазоров.
Математические модели надежности, ресурса и механики деформируемого тела применяются для обеспечения безопасности эксплуатации и повышения ее экономической эффективности, для идентификации результатов экспериментов при испытаниях двигателей и их узлов и для диагностики состояния двигателя в процессе эксплуатации.
При моделировании полета с большими дозвуковыми скоростями пространственность обтекания, в первую очередь, обусловлена влиянием фюзеляжа и крыла, а при моделировании реверса - близостью земли. В этих случаях обтекание мотогондолы рассчитывается либо вместе с летательным аппаратом, либо с учетом влияния земли.

Результаты расчета трехмерного турбулентного обтекания лопаток турбины. Приведены изомахи в среднем сечении рабочего колеса. Хорошо видны скачки и отрывные зоны.

На рис. 4 представлен пример трехмерного расчета течения в ступени радиальной турбины малоразмерного ГТД. Показаны распределения скорости на обтекаемых поверхностях.
(Продолжение следует...)