Журналов:     Статей:        

Аэрокосмический научный журнал. 2017; 3: 1-19

Применение методов математического моделирования для оценки влияния неоднородности входного потока на параметры и характеристики авиационного ГТД

Эзрохи Ю. А., Хорева Е. А.

https://doi.org/10.24108/aersp.0317.0000064

Аннотация

Рассмотрены методические подходы к разработке математических моделей различного уровня сложности, предназначенных для оценки влияния неоднородности входного потока на основные параметры и характеристики авиационного ГТД и его узлов. На примере расчета двухвального ТРДД на характерном дозвуковом крейсерском режиме продемонстрированы возможности инженерной математической модели по определению влияния неравномерности поля полного давления на входе в двигатель на его тяговые и расходные характеристики, а также запас газодинамической устойчивости обоих каскадов компрессора. 

Продемонстрировано, что представленная математическая модель первого уровня авиационного ГТД позволяет адекватно оценивать влияние неоднородности полного давления на входе в двигатель на его параметры, причем достоверность проводимых расчетов подтверждается их сравнением с результатами, полученным по хорошо отработанным пространственным математическим моделям двигателя, которые, в свою очередь, были неоднократно идентифицированы по результатам многочисленных экспериментов. 

Показано, что получаемые результаты, в том числе и по величинам снижения запаса ГДУ вследствие неоднородности потока на входе вполне могут быть использованы для предварительных оценок при выборе необходимого располагаемого запаса ΔKу, обеспечивающего устойчивую работу каскадов компрессора и двигателя в целом во всем диапазоне его режимов работы, в том числе и с учетом различных эксплуатационных факторов. Проведение окончательного поверочного расчета с помощью специализированных ММД более высокого уровня не только подтвердит полученные результаты, но и сократит  их ожидаемую погрешность по отношению к реальным значениям, полученным в результате испытаний.  

Список литературы

1. Burcham F.W., Hughes D.L. Analysis of in-flight pressure fluctuations leading to engine compressor surge in an F-111a airplane for Mach numbers to 2.17 // AIAA Paper. 1970. No. 70-624. 19 р.

2. Краснов С.Е., Воробьева Н.Г. Влияние тепловых возмущений на устойчивость работы ГТД // Техника воздушного флота. 2012. Т. 86. № 4. С. 32-44.

3. Краснов С.Е., Воробьева Н.Г. Влияние входной неравномерности полного давления на устойчивость и характеристики компрессора низкого давления ТРДД с большой степенью двухконтурности (математическое моделирование и расчетные исследования) // Техника воздушного флота. 2014. Т. 88. № 1. С. 35-46.

4. Теория авиационных двигателей / Ю.Н. Нечаев, Р.М. Федоров, В.Н. Котовский, А.С. Полев. Ч. 2. М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 2007. 447 с.

5. Архипов Д.В., Тумашев Р.З. Влияние радиальной неравномерности параметров потока при входе в рабочее колесо на газодинамические характеристики ступени осевого компрессора // Вестник двигателестроения. 2013. № 2. С. 130-135.

6. Greitzer E.M. Surge and rotating stall in axial flow compressors. Pt. I: Theoretical compression system model // Trans. of the ASME. J of Engineering for Power. 1976. Vol. 98. No. 2. Рp. 190-198. DOI: 10.1115/1.3446138

7. Greitzer E.M. Surge and rotating stall in axial flow compressors. Pt. II: Experimental results and comparison with theory // Trans. of the ASME J. of Engineering for Power. 1976. Vol. 98. No. 2. Рp. 199-211. DOI: 10.1115/1.3446139

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

9. Краснов Д.С., Семерняк Л.И. Математическая модель процессов возникновения и развития неустойчивых режимов авиационных ГТД // Техника воздушного флота. 1999. № 1. С. 36-54. - не найдено, оставляю авторский вариант (в б-ке МГТУ нет)

10. Stenning A.H. Inlet distortion effects in axial compressors // Trans. of the ASME. J. of Fluids Engineering. 1980. Vol. 102. No. 1. Pp. 7-13. DOI: 10.1115/1.3240630

11. Seidel B.S., Matwey M.D., Adamczyk J.J. Inlet flow distortion in turbomachinery // Trans. of the ASME. J. of Engineering for Power. 1980. Vol. 102. No. 4. Pp. 924-929. DOI: 10.1115/1.3230362

12. 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. С. 57-61.

13. Longley J.P., Greitzer E.M. Inlet distortion effects in aircraft propulsion system integration // Steady and transient performance prediction of gas turbine engines: AGARD-LS-183(Cambridge, MA, USA, May 27-29th 1992): Conf. paper. Wash.: NASA, 1992. Pp. 6-1 – 6-18.

14. Kurzke J. Effects of inlet flow distortion on the performance of aircraft gas turbines // J. of Engineering for Gas Turbines and Power. 2008. Vol. 130. No. 4. Pp. 041201-041201-7. DOI: 10.1115/1.2901190

15. Ferrand P., Chauvin J. Theoretical study of flow instabilities and inlet distortions in axial compressors // Trans. of the ASME. J. of Engineering for Power.1982. Vol. 104. No. 3. Pp. 715-721. DOI: 10.1115/1.3227336

16. Хорева Е.А., Эзрохи Ю.А. Ординарные математические модели в задачах расчета параметров авиационных ГТД // Аэрокосмический научный журнал. 2017. № 1. С. 1-14. DOI: 10.24108/rdopt.0117.0000059

17. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика: учеб. руководство для втузов. 5-е изд. Ч. 1. М.: Наука, 1991. 597 с.

18. Colpin J. Propagation of inlet flow distortions through an axial compressor stage // Trans. of the ASME. J. of Engineering for Power. 1979. Vol. 101. No. 1. Pp. 116-124. DOI: 10.1115/1.3446432

19. Norris G. Fan tests at NASA mark an early step toward airliners designed to leverage boundary layer ingestion // Aviation Week & Space Technology. 2017. Vol. 179. № 1. Р. 51.

20. Шульгин А.Ф., Павлов Ю.И., Таран Е.М. Оценка влияния входной радиальной неравномерности потока на параметры двухконтурных двигателей // Авиационная промышленность. 2012. № 2. С. 6-7.

Aerospace Scientific Journal. 2017; 3: 1-19

Using Mathematical Modeling Methods for Estimating Entrance Flow Heterogeneity Impact on Aviation GTE Parameters and Performances

Ezrokhi Yu. A., Khoreva E. A.

https://doi.org/10.24108/aersp.0317.0000064

Abstract

The paper considers methodological approaches to the mathematical models (MM) of various levels, dedicated to estimate an impact of the entrance flow heterogeneity on the main parameters and performances of the aviation GTE and it units. By an example of calculation of a twin-shaft turbofan engine in cruiser mode, demonstrates engineering mathematical model capabilities to define the impact of the total pressure field distortion on engine trust and air flow parameters, and also gas dynamic stability margin of the both compressors.

It is shown that the presented first level mathematical model allows us to estimate sufficiently the impact of entrance total pressure heterogeneity on the engine parameters. Here reliability of calculations is proved to be true by their comparison with the results, obtained owing to well fulfilled 2D & 3D mathematical models of the engine, which have been repeatedly identified by the results of experiments.

It is shown that received results including those on decreasing values of stability margin of both compressors can be used for tentative estimates when choosing a desirable stability margin, providing steady operation of compressors and engine in an entire range of its operating modes. Carrying out a definitive testing calculation using the specialized engine MM of a higher level will not only confirm the results obtained, but also reduce their expected error with regard to the real values reached as a result of tests.

References

1. Burcham F.W., Hughes D.L. Analysis of in-flight pressure fluctuations leading to engine compressor surge in an F-111a airplane for Mach numbers to 2.17 // AIAA Paper. 1970. No. 70-624. 19 r.

2. Krasnov S.E., Vorob'eva N.G. Vliyanie teplovykh vozmushchenii na ustoichivost' raboty GTD // Tekhnika vozdushnogo flota. 2012. T. 86. № 4. S. 32-44.

3. Krasnov S.E., Vorob'eva N.G. Vliyanie vkhodnoi neravnomernosti polnogo davleniya na ustoichivost' i kharakteristiki kompressora nizkogo davleniya TRDD s bol'shoi stepen'yu dvukhkonturnosti (matematicheskoe modelirovanie i raschetnye issledovaniya) // Tekhnika vozdushnogo flota. 2014. T. 88. № 1. S. 35-46.

4. Teoriya aviatsionnykh dvigatelei / Yu.N. Nechaev, R.M. Fedorov, V.N. Kotovskii, A.S. Polev. Ch. 2. M.: VVIA im. prof. N.E. Zhukovskogo, 2007. 447 s.

5. Arkhipov D.V., Tumashev R.Z. Vliyanie radial'noi neravnomernosti parametrov potoka pri vkhode v rabochee koleso na gazodinamicheskie kharakteristiki stupeni osevogo kompressora // Vestnik dvigatelestroeniya. 2013. № 2. S. 130-135.

6. Greitzer E.M. Surge and rotating stall in axial flow compressors. Pt. I: Theoretical compression system model // Trans. of the ASME. J of Engineering for Power. 1976. Vol. 98. No. 2. Rp. 190-198. DOI: 10.1115/1.3446138

7. Greitzer E.M. Surge and rotating stall in axial flow compressors. Pt. II: Experimental results and comparison with theory // Trans. of the ASME J. of Engineering for Power. 1976. Vol. 98. No. 2. Rp. 199-211. DOI: 10.1115/1.3446139

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

9. Krasnov D.S., Semernyak L.I. Matematicheskaya model' protsessov vozniknoveniya i razvitiya neustoichivykh rezhimov aviatsionnykh GTD // Tekhnika vozdushnogo flota. 1999. № 1. S. 36-54. - ne naideno, ostavlyayu avtorskii variant (v b-ke MGTU net)

10. Stenning A.H. Inlet distortion effects in axial compressors // Trans. of the ASME. J. of Fluids Engineering. 1980. Vol. 102. No. 1. Pp. 7-13. DOI: 10.1115/1.3240630

11. Seidel B.S., Matwey M.D., Adamczyk J.J. Inlet flow distortion in turbomachinery // Trans. of the ASME. J. of Engineering for Power. 1980. Vol. 102. No. 4. Pp. 924-929. DOI: 10.1115/1.3230362

12. 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. S. 57-61.

13. Longley J.P., Greitzer E.M. Inlet distortion effects in aircraft propulsion system integration // Steady and transient performance prediction of gas turbine engines: AGARD-LS-183(Cambridge, MA, USA, May 27-29th 1992): Conf. paper. Wash.: NASA, 1992. Pp. 6-1 – 6-18.

14. Kurzke J. Effects of inlet flow distortion on the performance of aircraft gas turbines // J. of Engineering for Gas Turbines and Power. 2008. Vol. 130. No. 4. Pp. 041201-041201-7. DOI: 10.1115/1.2901190

15. Ferrand P., Chauvin J. Theoretical study of flow instabilities and inlet distortions in axial compressors // Trans. of the ASME. J. of Engineering for Power.1982. Vol. 104. No. 3. Pp. 715-721. DOI: 10.1115/1.3227336

16. Khoreva E.A., Ezrokhi Yu.A. Ordinarnye matematicheskie modeli v zadachakh rascheta parametrov aviatsionnykh GTD // Aerokosmicheskii nauchnyi zhurnal. 2017. № 1. S. 1-14. DOI: 10.24108/rdopt.0117.0000059

17. Abramovich G.N. Prikladnaya gazovaya dinamika: ucheb. rukovodstvo dlya vtuzov. 5-e izd. Ch. 1. M.: Nauka, 1991. 597 s.

18. Colpin J. Propagation of inlet flow distortions through an axial compressor stage // Trans. of the ASME. J. of Engineering for Power. 1979. Vol. 101. No. 1. Pp. 116-124. DOI: 10.1115/1.3446432

19. Norris G. Fan tests at NASA mark an early step toward airliners designed to leverage boundary layer ingestion // Aviation Week & Space Technology. 2017. Vol. 179. № 1. R. 51.

20. Shul'gin A.F., Pavlov Yu.I., Taran E.M. Otsenka vliyaniya vkhodnoi radial'noi neravnomernosti potoka na parametry dvukhkonturnykh dvigatelei // Aviatsionnaya promyshlennost'. 2012. № 2. S. 6-7.