Геометричне моделювання елементів проточних частин двопоточних турбін

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

УСТЕНКО Сергій Анатолійович

УДК 515.2

ГЕОМЕТРИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ЕЛЕМЕНТІВ

ПРОТОЧНИХ ЧАСТИН ДВОПОТОЧНИХ ТУРБІН

Спеціальність 05.01.01 -

Прикладна геометрія, інженерна графіка

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українському державному морському технічному університеті імені адмірала Макарова Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Кошкін Констянтин Вікторович, зав. кафедрою інформаційних технологій, Український державний морський технічний університет імені адмірала Макарова

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, доцент

Корчинський Володимир Михайлович,

професор кафедри автоматизації проектування,

Дніпропетровський національний університет;

кандидат технічних наук, доцент

Дорошенко Юрій Олександрович,

завідувач лабораторії навчання інформатики,

Інститут педагогіки Академії педагогічних наук України

Провідна установа: Таврійська державна агротехнічна академія,

кафедра прикладної математики

і обчислювальної техніки,

Міністерство агропромислового

комплексу України (м. Мелітополь)

Захист відбудеться "19" вересня 2001 р. о 1300 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.06 у Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою:

01037, Київ-37, Повітрофлотський проспект, 31, ауд. 466

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою:

01037, Київ-37, Повітрофлотський проспект, 31

Автореферат розісланий "2" липня 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.О.Плоский

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Підвищення економічності двопоточних турбін (ДТ) в значній мірі визначається ступенем геометричної досконалості їх лопатних апаратів (ЛА). Розв'язання задачі геометричного моделювання рухомих і нерухомих елементів проточних частин цих турбін є важливою науково-технічною проблемою. Останнім часом прикладна та обчислювальна геометрія, комп'ютерна графіка досягли певних успіхів у плані аналітичного подання обводів та поверхонь різних технічних деталей, їх візуалізації на ПЕОМ. Застосування досягнень цих галузей науки до геометричного моделювання ЛА турбін двопоточного типу дозволило визначити додаткові резерви поліпшення їх ефективних показників.

Розвиток комп'ютерної техніки та програмного забезпечення дають користувачу широкі можливості щодо візуалізації результатів геометричного моделювання елементів проточних частин на екрані монітора комп'ютеру. Це позитивно впливає на якість розв'язання геометричних задач, зокрема тих, які пов'язані з геометричним моделюванням аеродинамічних обводів і поверхонь. Стосовно до ДТ це дозволяє перейти від розгляду окремих задач профілювання їх ЛА до геометричного моделювання всієї проточної частини. Це також надає можливість реалізовувати комплексний підхід до створення та відпрацювання ДТ різних типів.

Застосування обчислювальної техніки до розв'язання задач геометричного моделювання проточних частин ДТ у кінцевому підсумку сприяє створенню систем автоматизованого проектування (САПР). Використання пакетів прикладних програм САПР дозволяє автоматизувати працю конструкторів ДТ і звільнити їх від рутинної роботи, пов'язаної із визначенням геометричних характеристик лопаток. Воно створює умови до ефективного пошуку нових проектних рішень.

Таким чином, розв'язання поставленої в роботі задачі вдосконалення методів геометричного моделювання елементів проточних частин ДТ є актуальним, воно має значне теоретичне та практичне значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. В Українському державному морському технічному університеті протягом багатьох років проводяться дослідження, пов'язані з розробкою високоефективних проточних частин турбомашин (турбін і компресорів) різного цільового призначення та конструктивного оформлення (осьових, радіальних, діагональних). Ці роботи ведуться як в плані виконання держбюджетних науково-дослідних тем, так і договорів творчої співдружності з підприємствами галузі (№1412, №1413 з НВП "Машпроект", № 1415 з ЦНДіПІ "Тайфун"). Зокрема, певний обсяг робіт було виконано при розробці алгоритмів і програм розрахунків по держбюджетній науково-дослідній темі 5.1. Пр. 1212 "Газодинамические исследования и оптимизация параметров судовых турбин". Розробки з геометричного моделювання елементів проточних частин суднових турбін застосовуються при виконанні теми Пр. 1346 "Геометричне моделювання аеродинамічних поверхонь і обводів проточних частин суднового енергетичного устаткування".

Мета дослідження. Метою дослідження є розробка методів, алгоритмів і програм геометричного моделювання рухомих і нерухомих елементів проточних частин ДТ на базі сучасних досягнень аналітичної, прикладної та обчислювальної геометрії, комп'ютерної графіки.

Задачі дослідження. Для досягнення поставленої в дисертаційній роботі мети необхідно розв'язати такі теоретичні та прикладні задачі геометричного моделювання:

1. Розвити теоретичні основи геометричного моделювання аеродинамічних обводів і поверхонь, які дозволяють локально впливати на їх форму і враховувати особливості геометрії об'єктів дослідження;

2. Удосконалити методи геометричного моделювання проточної частини ротора ДТ, які надають можливість керувати формою меридіонального перерізу і профілів лопаток радіально-осьових ступенів (РОС);

3. Розробити методи геометричного моделювання профілів плоских перерізів ЛА осьового типу із застосуванням синтезованої функції (СФ) та розташуванням цих перерізів по висоті лопаток з урахуванням розвантаження газодинамічних зусиль, що діють на лопатку, відцентровими силами;

4. Створити геометричну модель (ГМ) просторової лопатки осьової турбіни (ОТ) із застосуванням бікубічних функцій та алгоритму Анселона-Лорана для аналітичного подання поверхонь з нерегулярною геометрією;

5. Розробити метод визначення розподілу параметрів течії робочої речовини по профілях лопаток із застосуванням сучасних можливостей комп'ютерної техніки щодо аналізу та візуалізації отриманих результатів;

6. Дослідити вплив геометричних параметрів проточних частин турбомашин на форму їх аеродинамічних обводів і поверхонь;

7. Передати основні наукові результати та розроблене програмне забезпечення геометричного моделювання проточних частин ДТ зацікавленим організаціям для використання в практиці створення нових турбін.

Методи дослідження. Розв'язання задач, поставлених у дисертаційній роботі, здійснюється на базі сучасних досягнень в області теорії турбін та їх розрахунків на міцність, а також із застосуванням методів аналітичної, нарисної, диференціальної, обчислювальної геометрії, методів прикладного програмування та комп'ютерної графіки. Геометричне моделювання проточних частин ДТ здійснюється із застосуванням СФ на базі експоненціальних функцій, алгоритму Анселона-Лорана для аналітичного відображення аеродинамічних обводів профілів, бікубічних функцій для подання робочих поверхонь лопаток статора і ротора.

Теоретичною базою для проведення досліджень стали роботи:

- у галузі конструювання поверхонь складних технічних форм та розробки їх математичних моделей: Ваніна В.В., Верещаги В.М., Грибова С.М., Ковальова С.М., Кунса С., Куценка Л.Н., Михайленка В.Є., Найдиша В.М., Обухової В.С., Павлова А.В., Підгорного О.Л., Седлецької Н.І., Скидана І.А., Фролова С.А., Якуніна В.І. та ін.;

- у галузі геометричного моделювання та комп'ютерної графіки: Албер-га Дж., Бадаєва Ю.І., Безьє П., Василенка Н.В., Гилоя В., Грибова С.М., Зав'ялова Ю.С., Куценка Л.М., Михайленка В.Є., Найдиша А.В., Найдиша В.М., Принса М.Д., Роджерса Д., Сазонова К.О., Фокса А., Пратта М., Форреста А. та ін.;

- у галузі проектування ЛА турбін: Аронова Б.М., Бойка А.В., Борисенка В.Д., Зарянкіна А.Є., Копелева С.З., Крейна Н., Левенберга В.Д., Митрохіна В.Т., Розенберга Г.Ш., Уайтфілда А., Уоллеса Ф., Уатсона Н., Джаноти М., Холщевникова К.В., Шерстюка О.М., Шубенка-Шубіна Л.А. та ін.;

- у галузі автоматизованого проектування і системного моделювання: Кейсі М.В., Кунса С., Норенкова І.Л., Осіна М.І., Осипова В.А., Петренка А.І.

Наукова новизна одержаних результатів. Наукову новизну роботи складають:

1. Геометричні моделі проточних частин ДТ, що скомпоновані із радіальних, радіально-осьових і осьових ступенів.

2. Метод геометричного моделювання просторових лопаток робочого колеса (РК) РОС, форма яких визначається їх скелетною поверхнею і обмежується меридіональними обводами колеса.

3. Метод геометричного моделювання лопаток ОТ просторової форми, які задаються сукупністю плоских перерізів, розташованих по висоті лопатки з урахуванням їх розвантаження відцентровими силами.

4. Результати досліджень впливу геометричних параметрів проточних частин ДТ на форму обводів і поверхонь, що їх утворюють.

5. Дослідження геометричних об'єктів із застосуванням розрахунків параметрів течії робочої речовини.

Практичне значення одержаних результатів. Практична цінність роботи полягає в розробці ефективного апарату (геометричних моделей, алгоритмів, програм розрахунків та візуалізації отриманих результатів на екрані монітора ПЕОМ) для розв'язання комплексу задач геометричного моделювання елементів проточних частин ДТ. Програмне забезпечення передано ЦНДіПІ "Тайфун", НВП "Машпроект" (м.Миколаїв), ВАТ "Південдизельмаш" (м.Токмак Запорізької області).

На захист виносяться основні положення, що складають наукову новизну та практичну цінність роботи.

Вірогідність результатів досліджень підтверджується коректністю теоретичного аналізу, зіставленням результатів з даними, що опубліковані в літературі, результатами геометричного моделювання окремих елементів проточних частин ДТ з профілями лопаток та меридіональних обводів, що спрофільовані на базі традиційних підходів підприємств-виробників.

Впровадження одержаних результатів. Впровадження результатів роботи здійснюється виконанням держбюджетних науково-дослідних тем і договорів творчої співдружності з НВП "Машпроект", ЦНДіІІІ "Тайфун", ВАТ "Південдизельмаш" та іншими організаціями. Програми геометричного моделювання та візуалізації елементів проточних частин турбомашин, зокрема лопаток осьового ступеню (ОС) ГТГ-110 та відцентрових компресорів передані НВП "Машпроект", радіальних і осьових вентиляторів - ЦНДіІІІ "Тайфун" (м.Миколаїв), радіально-осьових турбін (РОТ) агрегатів наддування ТКР-11 - ВАТ "Південдизельмаш" (м.Токмак). Їх застосування дозволило визначити геометричну недосконалість аеродинамічних обводів і поверхонь, що обмежують течію робочої речовини, і які розроблені підприємствами, а також запропонувати засоби щодо поліпшення їх геометричної якості. Результати досліджень впроваджені в навчальний процес на кафедрах інженерної графіки та інформаційних технологій УДМТУ.

Особистий внесок здобувача. Особисто автором розроблені геометричні моделі меридіонального перерізу РОС, профілю лопатки на розгортці зовнішнього радіуса РК, плоских перерізів лопаток ОТ, їх розташування по висоті проточної частини з урахуванням розвантаження відцентровими силами. На базі цих моделей розроблені алгоритми і програми геометричного моделювання елементів статора і ротора ДТ. Конкретний внесок у наукових статтях із співавторами складається у розв'язанні поставленої задачі, її формалізації, розробці програм розрахунків на ПЕОМ.

Апробація результатів дисертації. Результати виконаних досліджень доповідалися на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу УДМТУ (м. Миколаїв, 1998, 2000 р.), на міжнародній науково-практичній конференції "Сучасні проблеми геометричного моделювання" (м. Мелітополь, 1999 р.,), на міжнародній науково-практичній конференції "Современные проблемы геометрического моделирования" (м. Донецьк, 2000 p.).

Публікації. За темою досліджень опубліковано 10 робіт: 9 статей у міжвузівських та вузівських збірниках наукових праць, з них 4 статті без співавторів, а також тези доповіді на конференції.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел із 158 найменувань і додатків. Вона містить 152 сторінки основного тексту, 107 рисунків, 8 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, якій присвячена дисертаційна робота, визначена мета, основні задачі дослідження, зазначено зв'язок роботи з науковими програмами. Наведені дані щодо наукової новизни, практичної значущості і впровадження результатів дослідження, а також публікацій та апробації роботи, її структури і обсягу.

У першому розділі наведені характеристики об'єкту дослідження - елементів проточних частин ДТ, а також виконано огляд існуючих літературних джерел, який дозволив зробити висновок щодо актуальності й новизни досліджень.

Вивчення літературних джерел, в яких висвітлені різноманітні питання профілювання рухомих і нерухомих елементів проточних частин турбін осьового, радіального і радіально-осьового типів, дозволило вибрати об'єкт дослідження - проточні частини ДТ, та визначити коло питань щодо геометричного моделювання їх ЛА, з'ясування шляхів подальшого удосконалення геометричних характеристик аеродинамічних обводів і поверхонь ЛА на базі сучасних досягнень прикладної геометрії та комп'ютерної графіки.

Аналіз літературних джерел, в яких викладені сучасні досягнення прикладної, аналітичної та обчислювальної геометрії, комп'ютерної графіки, дозволив визначити основні методи та підходи до геометричного моделювання кривих і поверхонь, що застосовуються при конструюванні об'єктів складної геометричної форми, які можуть бути застосовані при геометричному моделюванні проточних частин турбін двопоточного типу.

Визначені напрямки дослідження, які зв'язані з розробкою методів, алгоритмів і програм геометричного моделювання на ПЕОМ елементів проточних частин ДТ, перший ступінь яких має радіально-осьове оформлення РК, а наступні ступені - осьове. Моделювання радіально-осьового колеса турбіни зв'язане з побудовою його меридіонального перерізу, а також профілю лопатки на розгортці циліндричної поверхні зовнішнього радіуса колеса. ГМ лопатки осьового типа одержується побудовою сукупності плоских її перерізів, розміщенням цих перерізів по висоті лопатки з урахуванням її закрутки та координат центрів ваги профілів з метою компенсації дії газодинамічних навантажень відцентровими силами.

Схеми коліс двопоточних РОС (ДРОС) показані на рис.1. Ці ДРОС відрізняються, головним чином, конструкцією РК, які розподіляють потік робочої речовини на дві частини і мають підвищену пропускну спроможність, а звідси і потужність. В роботі розглядаються дві принципові схеми РК ДРОС: з центральним роздільником потоку (рис.1, а) та меандроподібні (МРК) (рис.1, б). Перше виконання РК є традиційним. Такі колеса зустрічаються в практиці створення радіально-осьових турбомашин. МРК застосовуються рідко, тому практично немає рекомендацій щодо їх геометричного моделювання. Робоча решітка таких коліс утворюється міжлопатними каналами, що чергуються з правого та лівого боків РК і які розділяються меандроподібною (що звивається) перегородкою (рис.2, а). В окремому випадку меандри можуть вироджуватись в решітку типу "зигзаг" (рис.2, б).

Другий розділ присвячений геометричному моделюванню РК ДРОС.

Одним із напрямків підвищення аеродинамічної якості турбін є удосконалення геометрії ЛА їх проточних частин і в першу чергу тих, де відбуваються основні енергетичні перетворення, тобто РК, яке є найбільш складним з геометричної точки зору елементом ДРОС. Профілювання лопаток РК полягає у визначенні форми профілів при заданому меридіональному перерізі колеса, тому перш ніж виконувати профілювання лопаток, необхідно побудувати меридіональний переріз проточної частини ДРОС.

Аналітичні вирази для кривих, що описують меридіональні обводи РК ДРОС з центральним роздільником потоку напіввідкритого типу та ДРОС з МРК (рис.3), будемо визначати кривою в параметричному вигляді:

(1)

де a, b - велика та мала півосі кривої;

p, q - показники степенів кривої;

zC, rC - координати центра кривої.

Для визначення невідомих коефіцієнтів a, b, zC, rC прирівняємо p і q одиниці. Рівняння кривої перетвориться в рівняння еліпсу, де невідомі коефіцієнти для кривої, що описує зовнішній обвід, будуть знаходитись за допомогою наступних виразів:

Для обчислення коефіцієнтів p і q, що визначають степінь кривої, застосована ітераційна схема, в якій шляхом послідовних наближень зменшуються нев'язки

до заданої похибки обчислень.

Невідомі коефіцієнти для внутрішнього обводу будуть знаходитись за аналогічною схемою.

Після отримання аналітичних виразів кривих, що описують зовнішній та внутрішній обводи РК турбіни, будуються лінії току та квазіортогоналі меридіонального перерізу.

Геометричне моделювання меридіонального перерізу ДРОС з центральним роздільником потоку відкритого типу проводиться за аналогічною схемою, але з урахуванням деяких особливостей розміщення їх ліній току та квазіортогоналей. Меридіональний переріз ДРОС цього типу показаний на рис.4.

Побудувавши меридіональний переріз РК приступають до профілювання лопаток у площині, що є розгорткою циліндричної поверхні зовнішнього радіуса колеса. Схеми, розглянутих у роботі типів решіток лопаток ДРОС, показані на рис.5.

Спинка та угнута частина профілю лопатки подається параметричною кривою (1).

Координати характерних точок обводів профілю лопатки, до яких відносяться початкові та кінцеві точки кривих та точки, що знаходяться у горлі каналу, знаходяться в локальній системі координат x0y (рис.6).

Підставивши значення координат точок зовнішнього обводу і розв'язав-ши отриману систему нелінійних рівнянь аналітично, отримуємо такі вирази для знаходження невідомих рівняння (1):

;

; ;

; .

Значення параметра y3 знаходять розв'язанням нелінійного рівняння:

.

Аналітичний вираз кривої, що описує угнуту частину профілю лопатки РК ДРОС, отримується аналогічно.

Роздільник поліпшує опір згину пера центральної радіальної лопатки, але збільшує масу ротора і тим самим значно навантажує диск колеса, тому для полегшення конструкції та поліпшення вібраційних характеристик колеса на периферії проміжного тіла застосовують вирізи.

В роботі пропонуються вирізи двох типів: симетричні і несиметричні. На рис.7 наведені результати моделювання вирізів.

Заключним етапом геометричного моделювання РК ДРОС є моделювання вихідного спрямного апарату ДРОС. Робоча лопатка складається з п'яти лінійчатих поверхонь (рис.8), які утворюються рухом прямої лінії вздовж відповідних напрямних. Тому спочатку визначаються координати точок фрезерування, а потім моделюються напрямні.

Запропонована модель лопатки дозволяє визначати координати трьох типів перерізів:

циліндричними коаксіальними поверхнями;

площинами, перпендикулярними до осі обертання колеса;

довільними поверхнями.

Ці перерізи необхідні як за умови виготовлення і контролю форми лопатки, так і для проведення газодинамічних і міцнісних розрахунків.

Проведений обчислювальний експеримент та попередній аналіз аеродинамічної якості профілів лопаток РК, змодельованих із застосуванням розроблених геометричних моделей, підтвердили плідність та працездатність запропонованих підходів до аналітичного подання проточної частини ротора ДРОС.

У третьому розділі розглянуто питання геометричного моделювання лопаток ДТ осьового типу, яке включає в себе профілювання лопаток, розвантаження лопаток відцентровими силами, розміщення плоских перерізів по висоті лопатки з урахуванням розвантаження, моделювання лопатки ОС ДТ.

Лопатку ОС задають сукупністю плоских перерізів, що розташовуються по її висоті. Кількість перерізів може сягати десяти і більше, але до їх сукупності обов'язково додають кореневий, середній і периферійний. На базі побудованих плоских перерізів формується ГМ лопатки.

В роботі пропонується метод геометричного моделювання плоских перерізів лопаток, який базується на синтезованій функції (СФ):

,

де - показникова функція, яка для спинки має вигляд , а для угнутої частини - .

За допомогою СФ одержують аналітичний вираз спинки профілю (рис.9, а), для чого розв'язують систему нелінійних рівнянь:

де;

.

Координати центра кола максимального діаметра (рис.9, б), знайдуть із системи рівнянь

.

Аналітичний вираз кривої, що описує угнуту частину профілю, отри-мують підстановкою координат точок дотику кривої з дугами кіл вхідної і вихідної кромок (рис.9, в), а також кутів нахилу дотичних в цих точках. Після перетворення отримаємо вираз:

,

де ; .

Для визначення невідомого коефіцієнта k1 застосовано ітераційний процес, де послідовно зменшується різниця між прямою, що проходить через поточну точку і центр кола максимального діаметру, і нормаллю до кривої в цій точці:

,

де ;

; ;

; .

Після побудови кореневого перерізу визначають його площу і координати центра ваги. Потім формують проміжні перерізи лопатки, включаючи середній, периферійний переріз, для яких також знаходять площі та координати центрів ваги. Всі перерізи розташовують за умови знаходження їх центрів ваги на одній прямій лінії (рис.10).

Для геометричного моделювання просторової робочої лопатки було запропоновано метод аналітичного подання аеродинамічних обводів та поверхонь із застосуванням алгоритму Анселона-Лорана.

Перевагою цього алгоритму є можливість генерувати як інтерполяційні, так і апроксимаційні сплайни, крім того він припускає екстраполяцію. При побудові інтерполяційного сплайну необхідно розв'язати задачу:

а при побудові апроксимаційного сплайну

де P - параметр, яким керується степінь сплайна;

a - параметр згладжування.

Для аналітичного подання поверхні в кожному опорному прямокутникові будується елемент поверхні із застосуванням бікубічної функції:

,

де Bij - невідомі коефіцієнти бікубічного сплайну;

, ;

, .

Похідні у кожній точці прямокутника знаходяться за допомогою таких виразів:

,

,

.

Розроблені у четвертому розділі програми геометричного моделювання та візуалізації РК турбін доцентрового типу та лопаток ОС турбін дозволяють будувати на екрані ПЕОМ як плоскі проекції, так і просторові зображення коліс і лопаток, що надає користувачеві додаткові можливості щодо прискорення якості проектів за рахунок можливості вже на ранній стадії проектування працювати з їх віртуальними зображеннями. Приклади візуалізації наведені на рис.11-12.

Виконаний аналіз та дослідження геометрії робочої лопатки другого ступеня газової турбіни ГТГ-110 дозволили визначити деякі недосконалості як плоских перерізів лопатки, так і просторової моделі. Геометрична якість профілів лопатки оцінювалася аналізом розподілу диференціальних характеристик аеродинамічних обводів. Запропоновані рекомендації щодо вдосконалення геометрії лопатки передані підприємству. Результати моделювання наведені на рис.13.

З метою дослідження аеродинамічної якості розроблених моделей ЛА проточних частин ДТ удосконалено метод розрахунку течії робочої речовини в шарі змінної товщини за рахунок застосування засобів комп'ютерної графіки. Вперше геометричні моделі та методи аеродинамічних розрахунків поєднані в єдиному розрахунковому процесі. Проведені дослідження впливу геометричних параметрів решіток профілів як на їх форму, так і розподіл швидкостей відносної течії у проточній частині. На рис.14 в аксонометричній проекції зображено умовну поверхню, що відповідає швидкостям відносної течії робочої речовини у міжлопатному каналі.

Результати досліджень роботи поширено на аеродинамічні об'єкти іншого цільового призначення: осьові та радіальні вентилятори. Це ще раз підтвердило універсальність запропонованих підходів до геометричного моделювання лопатних апаратів проточних частин турбомашин.

Для ВАТ "Південдизельмаш" було змодельоване радіально-осьове робоче колесо турбіни агрегату наддування ТКР-11 для ДВЗ невеликої потужності. Твердотіла модель цього колеса показана на рис.15.

ВИСНОВКИ

В результаті проведених досліджень досягнута основна мета роботи - розроблено ГМ лопатних апаратів ДРОС і ОС, які формують проточні частини ДТ. При цьому отримані такі результати, що мають наукову і практичну цінність:

1. Вперше запропоновані методи і розроблені алгоритми геометричного моделювання обводів меридіонального перерізу і профілів лопаток РК ДРОС різного конструктивного оформлення (з центральним розподільником потоку відкритого та напіввідкритого типу, меандроподібних коліс) із застосуванням параметричних функцій, які дозволяють керувати формою обводів, генерувати та візуалізовувати меридіональні перерізи РК ДРОС у широкому діапазоні варіювання параметрів, які визначають їх проточну частину.

2. Розроблені методи геометричного моделювання профілів плоских перерізів ЛА осьового типу із застосуванням експоненціальних функцій з показниками степенів у вигляді багаточленів та розташуванням цих перерізів по висоті лопаток з урахуванням її розвантаження відцентровими силами.

3. Запропоновано метод геометричного моделювання обвідних вхідних та вихідних кромок профілю лопатки ОТ, а також лінії розташування центрів кіл вхідної і вихідної кромок.

4. Розроблено ГМ просторової лопатки ОТ із застосуванням бікубічних функцій для аналітичного подання поверхонь з нерегулярною геометрією та алгоритму Анселона-Лорана для згладжування обводів, знаходження їх диференціальних характеристик, у тому числі змішаних похідних.

5. Проведений обчислювальний експеримент та попередній аналіз аеродинамічної якості профілів лопаток РК, побудованих із застосуванням методів геометричного моделювання, підтвердили плідність та працездатність запропонованих підходів до аналітичного подання ЛА проточної частини ДТ, до складу якої входять ДРОС та осьові ступені.

6. Вперше реалізовано метод визначення розподілу швидкостей течії робочої речовини по профілях лопаток із застосуванням сучасних можливостей ПЕОМ щодо візуалізації та аналізу отриманих результатів. Це дозволило об'єднати геометричні та газодинамічні розрахунки в єдиний обчислювальний процес і наочно продемонструвати вплив геометричних параметрів проточних частин ОТ на розподіл швидкостей течії в решітках профілів.

7. Програми геометричного моделювання та візуалізації ЛА проточних частин ДТ розроблені для ПЕОМ у системі програмування Turbo Pascal 7.0 з формуванням script-файлів і побудовою в автоматичному режимі зображень у графічному пакеті AutoCAD-14. Вони дозволяють генерувати високоефективні ЛА та будувати на екрані монітора ПЕОМ як плоскі проекції, так і просторові зображення лопаток і коліс, що дозволяє прискорити та поліпшити якість проектних робіт.

8. Впровадження результатів досліджень проводилося як у плані виконання держбюджетних наукових тем, так і договорів творчої співпраці з НВП "Машпроект" та ЦНДіПІ "Тайфун" (м. Миколаїв) шляхом геометричного моделювання лопаток осьових, радіально-осьових турбін та осьових і радіальних вентиляторів. Матеріали роботи передані також ВАТ "Південдизельмаш" (м. Токмак Запорізької області) та НВП "РАСКО" (м. Миколаїв).

Результати досліджень впроваджені в навчальний процес УДМТУ.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Устенко С.А. Метод аналітичного подання поверхонь лопаток турбомашин з нерегулярною геометрією // Прикладна геометрія та інженерна графіка. - К.: КНУБА, 1999. - Вип. 65. - C. 219-222.

2. Кошкін К.В., Устенко С.А. Метод аналітичного профілювання лопаток двопоточної радіально-осьової ступені // Прикладна геометрія та інженерна графіка. - К.: КНУБА, 1999. - Вип. 66. - C. 154-157.

3. Устенко С.А. Геометричне моделювання обвідних вхідних та вихідних кромок лопаток осьових турбін // Прикладна геометрія та інженерна графіка. - К.: КНУБА, 2000. - Вип. 67. - C. 218-221.

4. Борисенко В.Д., Устенко С.А. Візуалізація геометричних моделей робочих коліс турбомашин // Прикладна геометрія та інженерна графіка. - К.: КНУБА, 2001. - Вип. 68. - С. 81-85.

5. Устенко С.А. Геометрическое моделирование меридионального сечения рабочего колеса турбомашины // Прикладная геометрия и инженерная графика: Труды / Таврическая государственная агротехническая академия. - Мелитополь: ТГАТА, 1999. - Вып. 4. - Т.5. - C. 108-111.

6. Устенко С.А. Метод профилирования лопаток турбинных ступеней // Прикладная геометрия и инженерная графика: Труды / Таврическая государственная агротехническая академия. - Мелитополь: ТГАТА, 1999. - Вып. 4. - Т.6. - C. 112-115.

7. Кошкін К.В., Устенко С.А. Геометричне моделювання вирізів промтіла двопоточного радіально-осьового ступеню. - Збірник наукових праць УД-МТУ №5 (365). - Миколаїв: УДМТУ, 1999. - C. 101-104.

8. Борисенко В.Д., Куклина О.Ю., Устенко С.А. Геометрическое моделирование профилей лопаток турбин. - Збірник наукових праць УДМТУ №3 (369). - Миколаїв: УДМТУ, 2000. - C. 103-111.

9. Борисенко В.Д., Устенко С.А. Геометричне моделювання лопаток осьових турбін // Збірник наукових праць № 1 (373). - Миколаїв, УДМТУ. - 2001. - С. 70-82.

10. Устенко С.А. Геометричне моделювання напрямних для поверхонь лопатки робочого колеса радіально-осьового ступеня турбомашини // Тезисы докладов международной научно-практической конференции "Современные проблемы геометрического моделирования". - Донецьк: ДонГТУ, 2000. - C. 34-35.

моделювання геометричний турбіна двопоточний

Устенко С.А. Геометричне моделювання елементів проточних частин двопоточних турбін. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.01.01 - прикладна геометрія, інженерна графіка. - Київський національний університет будівництва і архітектури, Київ, Україна, 2001.

Дисертація присвячена розробці теоретичних та практичних методів геометричного моделювання елементів проточних частин двопоточних турбін. Розглядається моделювання лопаток радіально-осьового та осьового ступенів. Геометричне моделювання лопатки радіально-осьового ступеня включає профілювання меридіонального перерізу робочого колеса, аналіз якості кривих меридіональних обводів, моделювання профілю лопатки на розгортці циліндричної поверхні зовнішнього радіуса, геометричне моделювання центрального диска робочого колеса, а також моделювання вихідного спрямного апарата. Моделювання лопаток осьового ступеня складається з профілювання лопаток, для чого застосовується синтезована функція, розвантаження лопаток відцентровими силами, розміщення плоских перерізів по висоті лопатки з урахуванням її розвантаження, геометричного моделювання просторової робочої лопатки. Запропоновано метод аналітичного подання аеродинамічних обводів та поверхонь із застосуванням алгоритму Анселона-Лорана і бікубічних сплайнів. Результати дисертації були використанні при геометричному моделюванні та візуалізації моделей робочих коліс осьових і радіально-осьових турбін, осьових та радіальних вентиляторів для проектних підприємств.

Ключові слова: геометричне моделювання, двопоточна турбіна, профілювання, синтезована функція, візуалізація моделей робочих коліс.

Устенко С.А. Геометрическое моделирование элементов проточных частей двухпоточных турбин. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.01.01 - прикладная геометрия, инженерная графика. - Киевский национальный университет строительства и архитектуры, Киев, Украина, 2001.

Диссертация посвящена разработке теоретических и практических методов геометрического моделирования элементов проточных частей двухпоточных турбин.

Геометрическое моделирование лопатки радиально-осевой ступени начинается с моделирования меридионального сечения рабочего колеса, которое включает два этапа: построение меридионального сечения на основе результатов расчета одномерного течения в проточной части; уточнение положения промежуточных точек меридионального сечения с использованием более совершенной модели течения рабочего вещества. Анализ качества кривых меридиональных обводов базируется на исследовании графиков зависимости радиуса кривизны от относительной длины обвода. Для профилирования лопатки на развертке цилиндрической поверхности внешнего радиуса применяется аналогичная кривая. Геометрическое моделирование центрального диска рабочего колеса заключается в моделировании вырезов на промежуточном теле, которые предлагается делать симметричными или несимметричными. Моделирование выходного спрямляющего аппарата включает нахождение точек фрезерования и аналитического выражения для направляющих линейных поверхностей лопатки. Построенная модель лопатки рабочего колеса позволяет получать сечения цилиндрическими коаксиальными поверхностями; плоскостями, перпендикулярными оси вращения колеса; произвольными поверхностями.

Геометрическое моделирование лопаток осевой ступени включает профилирование лопаток, разгрузку лопаток центробежными силами, размещение плоских сечений по высоте лопатки с учетом ее разгрузки, геометрическое моделирование пространственной рабочей лопатки. Профилирование лопатки базируется на синтезированной функции, в основе которой лежит показательная функция. При размещении плоских сечений лопатки по высоте выполняется моделирование обводных входной и выходной кромок лопатки, линий касания спинки и вогнутой части лопатки с кромками и линий размещения центров входной и выходной кромок. Для моделирования пространственной лопатки предложен метод аналитического представления аэродинамических обводов и поверхностей с применением алгоритма Анселона-Лорана и бикубических функций.

Результаты диссертации использованы при геометрическом моделировании и визуализации моделей рабочих колес осевых и радиально-осевых турбин, осевых и радиальных вентиляторов для проектных организаций. В частности, были смоделированы и переданы предприятиям-разработчикам модели рабочего колеса второй ступени осевой турбины ГТГ-110, осевого вентилятора ОСО 250/10, радиального вентилятора РСС 25/10 и радиально-осевого рабочего колеса турбины агрегата надува ТКР-11 для двигателя внутреннего сгорания небольшой мощности.

Программы геометрического моделирования и визуализации лопаточных аппаратов проточных частей двухпоточных турбин разработаны для персональных компьютеров в системе программирования Turbo Pascal 7.0 с формированием script-файлов для системы автоматизированного проектирования AutoCAD-14. Они позволяют генерировать высокоэффективные лопаточные аппараты и строить на экране монитора персонального компьютера как плоские сечения, так и пространственные изображения лопаток и колес, что ускоряет и улучшает качество проектных работ.

Ключевые слова: геометрическое моделирование, двухпоточная турбина, профилирование, синтезированная функция, визуализация моделей рабочих колес.

Ustenko S.А. Geometrical modelling of elements of flow parts of two-flow turbine. - Manuscript.

Thesis for the degree of candidate of technical sciences in field 05.01.01 - applied geometry, engineering graphics. - The Kyiv National University of Construction and Architecture, Kyiv, Ukraine, 2001.

The dissertation presents the development of theoretical and the practical methods of the geometrical modelling of the elements of the flow-through parts of two-flow turbines. The modelling of the blades of radial-axial and axial stages are presented. The geometrical modelling of the blade of radial-axial stage consists of the profiling of the meridional section of impeller, the analysing of curve quality characteristic of meridional section, the modelling of blade profile on the evolution of the cylindrical surface of external radius, the geometrical modelling of the central disk of impeller and the modelling of the 3D blades of impeller. The blades modelling of the axial stage consists of the profiling of blades based on the applied synthesised function, the discharge of blades by centrifugal forces, the allocation of plain sections along the height of blades with accounting discharges, of the geometrical modelling of spacelike work-performing blade. The method of the analytical presentation of aerodynamic surfaces with algorithm Anselon-Loran is presented. Results of dissertation were employed for the geometrical modelling and the visualisation of the models of the impeller of axial and radial-axial turbines, of axial and the radial vanes of design organisations.

Key words: geometrical modelling, two-flow turbine, profiling, synthesised function, the visualisation of the models of impeller.

Размещено на Allbest.ru

...