Разработка принципов построения оптимального газогенератора малоразмерного авиационного газотурбинного двигателя

В конце XX века в мировом авиадвигателестроении были заложены научные предпосылки для создания авиационных двигателей нового поколения. В результате многочисленных разноплановых исследовательских работ сформировался их конструктивно-технологический и параметрический облик [23,39].

Авиационное двигателестроение в России в последние два десятилетия находится в глубоком кризисе, причинами которого являются: резкое сокращение финансирования любых научных разработок, морально и физически устаревшее производственное оборудование, отток специалистов. Сегодня ситуация несколько улучшается. Созданы объединенные корпорации, государство начинает выделять средства для развития отрасли.

Для реализации на существующих и перспективных двигателях новых технических решений необходимо пересмотреть концепцию проектирования. Двигатель нового поколения должен быть легко адаптируем к любому нововведению технологического или материаловедческого характера с минимальными изменениями в конструкции основных узлов.

Данная работа посвящена разработке научно-технических основ создания двигателей различных схем и назначения в короткие сроки и с минимальными затратами. Для этих целей заложена и обоснована концепция проектирования новых двигателей с использованием одного газогенератора.

Двигатели в классе мощности от 440−735 кВт (600−1000 л.с.) до 4400−7350 кВт (6000−10 000 л.с.) и эквивалентном классе тяги наиболее широко распространены в мире. Это силовые установки вертолетов, формирующие основной рынок двигателей в этом диапазоне мощности, а также, малых самолетов, беспилотных летательных аппаратов, газоперекачивающие станции, ГТУ, вырабатывающие электричество, двигатели для катеров, судов на воздушной подушке, экранопланов, танковые двигатели. Все они объединяются понятием «малоразмерные газотурбинные двигатели» (МГТД).

Стоимость модернизации двигателя в 70-е годы прошлого столетия в 400 раз [32,33,36], а на сегодняшний день — приблизительно в 150 — 200 раз превышает стоимость того же двигателя при серийном производстве (рис.1).

Сегодняшние исследования американских аналитиков [24,37] показывают, что стоимость проектирования нового двигателя «с осевой линии» более чем в 6 раз выше стоимости модернизации имеющегося, с учетом внедрения технологий, разработанных по программе IHPTET (рис.1). к с ш t-га s ш s Ч Е сс? t 'I ?5 & о «.

0 S.

1 о е I.

0 S (U Р.

1 Ь.

О).

3 s.

0 S.

1 I ^ га.

О ш о. S 0) о о.

1990 2000 Год проектирования.

Рис. 1. Стоимость модернизации двигателя в сравнении со стоимостью этого же двигателя в серийном производстве по годам.

Большую часть стоимости разработки двигателя (от 40 до 70% - в зависимости от конструктивной схемы) составляет стоимость разработки газогенератора. Именно поэтому, авиадвигателестроители во всем мире используют удачно спроектированные и испытанные эксплуатацией газогенераторы для создания семейств двигателей различного назначения, например, Р^^206/207 I фирмы Пратт Уитни (Канада), Т700/СТ7 — Дженерал Электрик (США), ТВЗ-117 и ТВ7−117 ОАО «Климов» (Россия) и многие другие. Однако диапазон мощности, охватываемый семейством двигателей, созданных на базе одного газогенератора невелик и составляет 15.20%. В связи с этим, была поставлена задача исследования возможности создания газогенератора, позволяющего получить двигатели с увеличением мощности в несколько раз относительно мощности двигателя, состоящего из газогенератора, путем введения в конструкцию контура низкого давления. Определенный в работе диапазон располагаемой мощности позволяет, с учетом сегодняшнего уровня развития, рассчитывать на увеличение мощности двигателя приблизительно в 3 раза и охватить максимально распространенные в эксплуатации типоразмеры МГТД. Для обозначения разрабатываемого газогенератора использован термин «универсальный газогенератор» (УГТ).

Преимущества от универсальности заключаются в многоцелевом применении, общих деталях, общей разработке и ремонте, а также, упрощении внедрения улучшенных технологий и материалов.

Эффективность создания ГТД на базе УГТ: •.

• существенным сокращением сроков ОКР;

• уменьшением стоимости разработки нового двигателя;

• повышение топливной экономичности;

• возможностью отработки новых технических решений сразу для нескольких двигателей;

• повышением надежности и долговечности конструкции.

Основные конструктивные схемы двигателей, создаваемых на базе УГТ:

• турбореактивные двигатели (ТРД);

• двухконтурные двигателя (ТРДД);

• турбовинтовые (ТВД) и турбовальные двигатели (ТВаД).

В работе сформулированы основы концепции универсального газогенератора, обозначены принципы построения, сформирована структура и математическая модель, проведен анализ существующих перспективных материалов, обеспечивающих возможность создания универсального газогенератора, указаны пути реализации программы и разработаны рекомендации по созданию универсального газогенератора для малоразмерных газотурбинных двигателей.

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. В результате выполнения настоящей работы создана концепция и обоснована перспективность построения МГТД при помощи УГГ с располагаемой мощностью в диапазоне 900.2700 кВт. Предложены принципы построения оптимального газогенератора малоразмерного авиационного газотурбинного двигателя, при которых обеспечиваются наилучшие технические характеристики двигателей путем:

• выбора оптимальной конструкции;

• обеспечения постоянства приведенного расхода рабочего тела через основные сечения УГГ для каждого типа МГТД;

• выбора оптимального управления рабочим процессом;

• применения перспективных материалов;

• обеспечения возможности применения в двигателях ЛА различного назначения.

2. Эти принципы позволят получить следующие преимущества при разработке МГТД:

• высокая степень унификации новых разработок — до 90%;

• многоцелевое применение;

• снижение стоимости разработки в 2 раза;

• снижение затрат на ремонт и замену узлов ГГ в связи с высокой серийностью в 3 — 5 раз;

• облегчение внедрения передовых материалов и технологий.

2. Создана научно-техническая основа для создания МГТД различного назначения в диапазоне мощности 735.2570 кВт и диапазоне тяги 2,4. 14 кН, обеспечивающих необходимые графики нагрузок (полетные циклы), присущие каждому конкретному типу летательного аппарата.

3. Проведен комплекс расчетных исследований характеристик узлов газогенератора на расчетном и дроссельных режимах в широком диапазоне изменения начальных параметров. Построена ММ универсального газогенератора в составе двигателя.

4. Разработан комплексный подход к МО МГТД, обеспечивающем оптимальный выбор параметров, как отдельных элементов, так и МГТД в целом. Выделены совокупности критериев оптимальности и параметров оптимизации. Сформулированы целевые функции и разработана обобщенная структура их расчета. Реализация разработанного подхода при решении ряда конкретных задач оптимизации элементов МГТД позволила получить наивыгоднейшие конструктивные, термодинамические и режимные параметры МГТД различного назначения при их проектировании.

5. ММ МО газогенератора сгруппированы в модули, описывающие работу отдельных элементов газогенератора (компрессор: рабочее колесо, диффузор, спрямляющий аппарат, магистрали отбора воздуха, утечкикамера сгорания: первичная и вторичная зонысопловой аппарат турбины, осевой зазор, рабочее колесо, внутренние потери). Каждый модуль независим от других, содержит внутренние вычислительные процедуры. Множество варьируемых в процессе многорежимной оптимизации газогенератора векторов режимных параметров позволяет сформулировать различные программы регулирования.

6. Реализован программный комплекс МО МГТД, представляющий собой горизонтальную структуру, состоящий из взаимосвязанных ММ разного иерархического уровня МО элементов тепловой схемы и нагрузочных устройств, позволяющий получить наивыгоднейшие конструктивные, массогабаритные и режимные параметры с учетом принятых ограничений и обеспечивающий минимальный расход топлива МГТД при реализации заданного графика нагрузок. Разработаны структура и алгоритмы программ расчета и оптимизации.

7. В результате многорежимной оптимизации выявлены параметры оптимального газогенератора при.Гглоб.тах = 3,824, обеспечивающие минимальное значение удельного расхода топлива — Се = 316 кг/(кВт-ч) при максимальных значениях удельной мощности двигателя — Ыуд = 271 кВт/(кг/с), к которым можно стремиться при создании двигателя следующего поколения.

7. Разработанные методы проектирования МГТД с УГТ могут быть использованы для проектирования больших двигателей и микродвигателей с поправкой на расход воздуха и технологические возможности охлаждения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.