Создание пневматического тормозного устройства большой мощности для испытаний перспективных ГТД

Наряду с предварительными инженерными расчётами в настоящее время приходиться экспериментально проверять работу газотурбинных двигателей (ГТД) и их элементов. Экспериментальные стенды ГТД оснащены энергетическим оборудованием, включающим в себя тормозное устройство. В данной работе описано проектирование пневматической тормозной системы на базе существующего КНД с помощью методов вычислительной газовой динамики. В результате проделанной работы была получена конфигурация пневматической тормозной системы, удовлетворяющая всем заявленным требованиям.

Цель представляемой работы – создание пневматической тормозной системы (ПТ) на базе существующего компрессора низкого давления газотурбинного двигателя с использованием программных комплексов вычислительной газовой динамики.
В работе решались следующие задачи:
1) создание численной модели рабочего процесса компрессора низкого давления газотурбинного двигателя и её валидация;
2) создание и исследование варианта ПТ с подпорной ступенью на базе 2-ой или 3-ей ступеней базового компрессора низкого давления;
3) создание и исследование варианта ПТ с 4-ой ступенью на базе 3-ей ступени базового компрессора низкого давления
4) добавление спрямляющего аппарата и изменение меридиональных обводов ПТ

Развитие турбореактивных двигателей идёт по пути увеличения скоростей газа в различных элементах тракта двигателя, снижение его удельного веса, применения новых материалов и увелисению температуры [1]. Изучение сложных физических явлений, происходящих на различных участках тракта ГТД, требует длительного времени. Поэтому наряду с предварительными расчётами приходиться экспериментально проверять работу отдельных элементов и двигателя в целом. Экспериментальные стенды ГТД оснащены энергетическим оборудованием, включающим в себя тормозное устройство (ТУ). ТУ необходимо для поглощения мощности, вырабатываемой во время испытаний двигателем. В настоящий момент создание более дешевого и компактного ТУ является актуальной задачей [2].

Самарский  университет  совместно с ПАО «Кузнецов»  ведут разработки в этой области. В 2001 году был защищен патент, согласно которому в качестве ТУ предлагается использовать существующий компрессор низкого давления [3]. Создание и проектирование компрессоров является сложной и дорогостоящей задачей. Этим объясняется высокая стоимость ПТ. Однако, если в качестве ПТ использовать существующий компрессор, можно существенно снизить стоимость его разработки, а также сократить сроки создания.

ПТ предназначен для утилизации мощности на валу свободной турбины.  Он  должен обеспечивать утилизацию мощности 25 МВт при частоте вращения ротора 5000 об/мин и мощности 32 МВт при частоте вращения ротора 5500 об/мин. Одним из основных требований при разработке ПТ являлось минимальное изменение конструкции существующего базового компрессора, а также минимальное изготовление новых деталей.

Поскольку разработка ПТ велась на основе базового компрессора (существующей геометрии) было принято решение об активном использовании при проектировании современных метод CFD-моделирования, реализованных в программном комплексе NUMECAFineTurbo .

На начальном этапе работы были построены характеристики базового компрессора и сравнены с имеющимися экспериментальными данными. Далее в расчётную модель базового компрессора  были внесены изменения: была добавлена подпорная ступень.  Анализ полученных результатов расчёта измененной конструкции позволил сделать вывод о том, что ПТ с добавленной подпорной ступенью не сможет обеспечить потребление требуемой мощности во всем диапазоне  работы испытательного стенда. По этой причине было решено спроектировать ПТ в одноконтурной конфигурации с добавлением четвертой ступени.  Было выявлено, что сданный вариант ПТ позволяет утилизировать требуемую мощность, но обладает низкими запасами устойчивой работы. Анализ результатов CFD расчёта позволил установить, что имеет место отрыв потока со втулки 4 РК. Данный отрыв распространяется также на 4 НА и является причиной ограничения запасов устойчивой работы [4]. Для того, чтобы избавиться от отрыва потока со втулки четвертой ступени, было решено уменьшить площадь проходного сечения. В результате отрыв потока на втулке уменьшился. Запасы газодинамической устойчивости повысились до приемлемого уровня. Данный вариант конфигурации пневмотормоза позволяет обеспечить необходимое потребление мощность во всем диапазоне работы испытательного стенда.

Однако в данной конфигурации имеется остаточный угол закрутки потока за последним направляющим аппаратом. Остаточная закрутка на выходе из компрессора является нежелательной, так как может привести к неустойчивой работе выходного устройства пневмотормоза и испытательного стенда в целом. Для устранения остаточной закрутки потока было принято решение о проектировании выходного спрямляющего аппарата. Он был выполнен с постоянным сечением по высоте из пластины толщиной 4 мм методом штамповки с последующей обработкой кромок.

При расчёте характеристик пневмотормоза на предыдущих этапах  статьи на выходе из расчётной модели пневмотормоза задавалось переменное статическое давление. В реальных условиях эксплуатации давление окружающей среды меняться не будет и будет равно атмосферному. По этой причине для работы ПТ было подобрано унифицированное сопло, позволяющее обеспечить работу ПТ на заданных режимах.

В результате проделанной работы была получена конфигурация ПТ, удовлетворяющая всем заявленным требованиям. А именно: потребление требуемого количества мощности на частоте 5000 об/мин (25 МВт) и 5500 об/мин (32 МВт) и обеспечение допустимых запасов устойчивой работы.

Данную систему планируется использовать для проведения испытаний перспективных ГТД на одном из крупнейших в России предприятий авиационного и космического двигателестроения ОАО «Кузнецов». Полученные на данном этапе результаты уже используются в работах по созданию пневмотормоза для испытательного стенда наземной газотурбинной установки, проектируемого ОАО «Кузнецов».

1. Горбунов, Г.Б. Испытания авиационных воздушно-реактивных двигателей [Текст] / Г.Б. Горбунов, Э.Л. Солохин. – М.: Машиностроение, 1967. – 256 с.
2. Черкез, А.Я. Испытания воздушно-реактивных двигателей [Текст] / А.Я. Черкез, И.И. Онищик, В.А. Овсянников, Е.М. Таран, В. Б. Рутовский– М.: Машиностроение, 1992. – 304 с.
3. Способ испытания газотурбинного двигателя и устройство для его осуществления : пат. 2318195 Рос. Федерация: МПК G01M 15/14 / М. В. Коротов, заявитель и патентообладатель ОАО Самарский научно-технический комплекс им. Н.Д. Кузнецова. – № 2001127609/06; заявл. 10.10.01; опубл. 20.06.03, Бюл. № 6. – 9 с. : ил
4. Кулагин, В.В. Теория, расчёт и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок [Текст] / В.В. Кулагин. – М.: Машиностроение, 2002. – 616 с.

Now in line with with preliminary engineering calculations, you need to check experimentally engine work and its components work. Experimental stands of GTE equipped with power equipment which includes a braking device.
This work describes the designing of the air brake system based on the existing LPC by using methods of computational fluid dynamics. As a result of the work the configuration of the air brake system was obtained which satisfies all stated requirements.