Аэродинамическая оптимизация пространственной формы лопатки рабочего колеса сверхзвуковой компрессорной ступени

Abstract

Работа посвящена аэродинамической оптимизации высоконагруженного рабочего колеса сверхзвуковой компрессорной ступени. В качестве основного инструмента используется численное моделирование течения в колесе на основе полных осредненных уравнений Навье–Стокса и двухпараметрической модели турбулентности. Особенностями используемого подхода к оптимизации являются: применение достаточно “грубых” расчетных сеток, сохраняющих, однако, чувствительность результатов расчета к изменению формы лопатки; формулировка критериев качества как осредненных по расходу воздуха величин энергетических характеристик рабочего колеса; применение достаточно простого способа варьирования пространственной формы лопатки колеса; поиск оптимальной пространственной формы лопатки с использованием точек равномерно распределенных последовательностей в пространстве переменных. В результате проведенного исследования выбраны два варианта пространственной формы лопатки колеса, обеспечивающие увеличение значений его энергетических характеристик по сравнению с прототипом (в первом случае получено только повышение адиабатического КПД, во втором – повышение КПД и степени сжатия колеса).

Роботу присвячено аеродинамічній оптимізації високонавантаженого робочого колеса надзвукового компресорного ступеня. Як основний інструмент використовується числове моделювання течії в колесі на основі повних осереднених рівнянь Нав’є–Стокса й двопараметричної моделі турбулентності. Особливостями використовуваного підходу до оптимізації є: застосування досить “грубих” розрахункових сіток, що зберігають, однак, чутливість результатів розрахунку до зміни форми лопатки; формулювання критеріїв якості як осереднених по витраті повітря величин енергетичних характеристик робочого колеса; застосування досить простого способу варіювання просторової форми лопатки колеса; пошук оптимальної просторової форми лопатки з використанням точок рівномірно розподілених послідовностей у просторі змінних. У результаті проведеного дослідження обрано два варіанти просторової форми лопатки колеса, що забезпечують збільшення значень його енергетичних характеристик у порівнянні із прототипом (у першому випадку отримано тільки підвищення адіабатичного ККД, у другому – підвищення ККД і ступеня стиску колеса).

The study is addressed to an aerodynamic optimization of a high-loaded impeller of a supersonic compressor stage. A numerical simulation of the flow through the impeller is the basic tool using the complete averaged Navier–Stocks equations and a two-parameter model of turbulence. The special features of the approach used are the application of sufficiently rough computational grids sensitive to variations in the blade form; the formulation of the qualitative criteria as values of the power characteristics of the impeller averaged on the air flow; the application of a sufficiently simple procedure of variations in a spatial form of the impeller blade; the search of an optimal spatial form of the blade using points of the equally distributed sequences in space of variables. From the study made two versions of a spatial form of the impeller blade have been chosen providing an increase in values of its power characteristics in comparison with the prototype (in the first case an adiabatic efficiency only increases, in the second case an adiabatic efficiency and the pressure ratio of the impeller increase).