Аеродинамічний
розрахунок та оптимальне проектування проточної частини турбомашин
А.В. Бойко, Ю.Н.Говорущенко,
С.В.Ершов, А.В.Русанов, С.Д.Северін. Аеродинамічний
розрахунок та оптимальне проектування проточної частини турбомашин; Монографія.
- Харків, НТУ «ХПІ», 2002. - 356с. - Рос. мовою.
ISBN 966-593-228-4
Рассмотрен новый подход к решению комплексной многоуровневой
задачи - оптимальному проектированию турбоустановки как сложной технической системы, с
использованием блочно-иерархического процесса оптимизации,обеспечивающий максимум глобального критерия
качества системы и её надёжность. Излагается задача об оптимальном
пространственном профилировании ступеней турбин на базе современного численного
метода расчёта вязкого трёхмерного течения. Описаны вопросы оптимального
проектирования проточной части осевых компрессоров. Представлены комплексы
программ, с использованием которых проведены расчёты и приводятся многочисленные
примеры оптимального профилирования цилиндров, отсеков,ступеней и решеток осевых турбин и компрессоров как
в квазидвумерной, так и трёхмерной постановке. Для научных работников и
специалистов по проектированию, расчёту и исследованию турбомашин. Полезна преподавателям, аспирантам и студентам
старших курсов Технических Университетов.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ
ГЛАВА 1 ПОСТАНОВКИ ЗАДАЧ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ
СИСТЕМ. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ОПТИМИЗАЦИИ ТУРБОМАШИН
1.1. Математические модели и задача проектирования объекта
1.2. Метод оптимизации сложных технических устройств
1.3. Построение ФММ подсистем и численные методы решения локальных
задач оптимизации
1.4. Оптимизация параметров проточной части осевой турбины
ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ТУРБОМАШИН
2.1. Аэродинамические модели
2.1.1 Моделирование осесимметричного
течения в ступени осевой турбины
2.1.2. Постановка задачи теплового расчета газовой и паровой
осевой турбинной ступени по сечениям в зазорах и методы ее решения
2.1.3. Упрощенный метод определения наклона и кривизны линий тока
вдоль радиуса в сечениях перед и за
рабочим колесом
2.1.4.Расчет течения рабочего тела через плоские решетки
2.1.5. Автоматизация расчетов проточных частей многоступенчатых
паровых турбин на переменных режимах
2.2. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММ РАСЧЕТА ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ, ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ
И ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РЕШЕТОК ПРОФИЛЕЙ
2.2.1 Статистическая оценка
геометрических характеристик решеток профилей
2.2.2 Математическая модель оценки надежности функционирования
диафрагм
2.2.3 Математическая модель оценки надежности функционирования
рабочих лопаточных венцов
2.2.4 Вибрационный анализ
2.2.5 Расчет газодинамических характеристик решеток
2.3. Моделирование состояния рабочих тел и материалов
2.4. Методика создания макромоделей
характеристик элементов проточной части осевой турбины
2.4.1. Планирование эксперимента
2.4.2. Диалоговый анализ ФММ - программа CPLAN
2.5 Программный комплекс МАСТЕР как инструмент решения
задач расчета проточной части турбомашин
ГЛАВА 3. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО РАСЧЕТА ПРОТОЧНОЙ
ЧАСТИ ТУРБОМАШИНЫ
3.1. Основные подходы к решению задачи о вязком трехмерном течении
в проточной части турбомашини
3.2. Уравнения Навье-Стокса.
Приближение тонкого слоя
3.3. Осреднение по Рейнольдсу.
Моделирование турбулентной вязкости
3.3.1. Алгебраические модели турбулентности.Модель Болдуина-Ломэкса
3.3.2. Дифференциальные модели турбулентной вязкости. Модель SST Ментера
3.4. Основные преобразования уравнений
3.5. Постановка задачи с начальными и граничными условиями
3.6. Явно-неявная ENO схема повышенной точности
3.7. Численная реализация. Комплекс программ FlowER
3.8. Расчет обтекания решеток и ступеней турбомашин
3.8.1. Течение в решетке Лэнгстона
3.8.2 Течение в решетке Ходсона
3.8.3. Течение в рабочем колесе компрессора Rotor37
3.8.4. Течение в ступени турбины
3.8.6. Течение в многоступенчатых машинах
ГЛАВА 4. МЕТОДЫ ПОИСКА ОПТИМАЛЬНЫХ РЕШЕНИЙ
4.1. Общие сведения об экстремальных задачах
4.1.1 Классификация методов
оптимизации
4.1.2 Оптимизация функций с помощью дифференцирования
4.1.3 Задачи на условный экстремум функции
4.1.4. Оптимизация при ограничениях в виде неравенств
4.2. Нелинейное программирование
4.2.1. Предмет нелинейного программирования
4.2.2. Поиск экстремума функции одной переменной
4.2.3. Методы оптимизации без ограничений
4.2.4 Методы оптимизации при наличии ограничений
4.3. Методы прямого поиска
4.3.1. Метод прямого поиска Хука-Дживса
4.3.2. Метод Нелдера-Мида
4.4. Псевдослучайный поиск на исходных и формальных макромоделях.
Г
ГЛАВА 5. ОПТИМАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ
МНОГОСТУПЕНЧАТЫХ ТУРБИН
5.1. Постановка задач одномерной и квазидвумерной
оптимизации
5.2. Аналитические решения
5.3. Оптимизация многоступенчатой турбины методом нелинейного
программирования
5.4. Автоматизация предварительного проектирования проточной части
многоступенчатых паровых турбин
5.5. Исследование и оптимизация многоступенчатых турбин с помощью
планирования эксперимента
5.6. Оптимизация проточной части с учетом работы на переменных
режимах
5.6.1. Макромоделирование и оптимизация
параметров турбины КТ-40/32-6,4
5.6.2. ЦВД турбины К-120-6,4 для ПГУ-345 ХТЗ
ГЛАВА 6. ОПТИМАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ РЕШЕТОК И СТУПЕНЕЙ ТУРБОМАШИН
6.1. Метод оптимизации основных геометрических параметров решеток
профилей
6.1.1. Постановка задачи
6.1.2. Оптимизация рабочих решеток
6.1.3. Оптимизация сопловых решеток
6.1.4. Совместная оптимизация сопловых и рабочих решеток
6.2. Метода аналитического профилирования
6.2.1. Постановка задачи
6.2.2. Построение базовой кривой
6.2.3. Граничные условия и построение базового профиля
6.3. Разработка профилей оптимальной аэродинамической формы,
удовлетворяющих прочностным и конструктивным требованиям
6.3.1. Постановка задачи
6.3.2. Оптимизация решетки профилей по геометрическому критерию
качества
6.3.3. Оптимизация по минимуму профильных потерь
6.4. Примеры автоматизированного проектирования решеток профилей
6.5. Реализация метода предварительного проектирования
6.5.1. Программная реализация и ее возможности
6.5.2. Примеры расчетов
6.6 О
влиянии тангенциального навала на характеристики осевой турбинной ступени
ГЛАВА 7. ОПТИМАЛЬНОЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЕ ПРОФИЛИРОВАНИЕ СТУПЕНЕЙ
ТУРБИН
7.1. Постановка задачи об оптимальном пространственном
профилировании ступеней турбин
7.2. Программная реализация. Комплекс программ Optimus
7.3. Примеры оптимального пространственного профилирования
турбинных ступеней
ГЛАВА 8. ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ОСЕВЫХ КОМПРЕССОРОВ
8.1. Общая постановка задачи оптимизации осевого компрессора
8.2. Оптимизация конструктивных лопаточных углов ступени осевого
компрессора в осевых зазорах
8.3. Особенности оптимизации сверхзвуковых ступеней
8.4. Оптимизация параметров сложного навала и стреловидности
лопаточных венцов компрессора
8.5. Численный пример оптимизации ступени компрессора
8.6. Постановка задачи оптимизации параметров многоступенчатого
компрессора
Список литературы