На правах рукописи

Морозова Нина Тихоновна

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

МАЛОРАСХОДНЫХ ТУРБОПРИВОДОВ

С ОСЕСИММЕТРИЧНЫМИ СОПЛАМИ НА БАЗЕ

ИНТЕГРИРОВАННЫХ САПР

05. 08. 05 – Судовые энергетические установки и их элементы

(главные и вспомогательные) 05. 13. 12 – Системы автоматизации проектирования (судовые транспортные средства)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владивосток 2006 2

Работа выполнена в Морском государственном университете имени адмирала Г.И. Невельского

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Симашов Рафаиль Равильевич

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Кузлякина Валентина Васильевна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Лашко Василий Александрович доктор технических наук, профессор Болотов Валерий Павлович

Ведущая организация: ФГОУ ВПО Дальневосточный государственный технический университет (ДВПИ им. В.В. Куйбышева)

Защита состоится 20 декабря 2006 года в14 часов на заседании диссертационного совета Д 223.005.01 при Морском государственном университете имени адмирала Г.И. Невельского по адресу: 690059, г. Владивосток, 59, ул. Верхнепортовая, 50А, ауд. 241, факс (4232) 41-49-68.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Морского государственного университета имени адмирала Г. И. Невельского.

Автореферат разослан ноября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета кандидат технических наук, доцент Резник А. Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Проблема создания высокоэффективных двигателей представляет собой задачу повышенной актуальности, особенно в условиях роста цен на энергоресурсы. В значительной мере это относится к малорасходным турбоприводам (МРТП), которые широко применяются в судостроении как вспомогательные двигатели, а также в качестве главных двигателей автономных морских подводных аппаратов. Кроме того, МРТП используются в тех областях техники, где жесткое требование мобильности и массогабаритные показатели ограничивают расход рабочего тела (РТ). Область применения турбоприводов предопределяет необходимость получения высоких удельных мощностей при ограниченных массогабаритных показателях турбоагрегата, что требует больших перепадов энтальпий при сравнительно малых расходах РТ. При таких параметрах, как правило, используются сверхзвуковые малорасходные турбины (МРТ) с полным и парциальным подводом рабочего тела. Использование таких МРТ предъявляет повышенные требования к сопловому аппарату (СА), так как его эффективность оказывает наибольшее влияние на КПД ступени. В настоящее время одна из наиболее актуальных задач – это совершенствование малорасходных осевых турбин с осесимметричными соплами, которые обладают рядом преимуществ перед турбинами с лопаточным направляющим аппаратом с точки зрения их экономичности и технологичности.

Процесс создания новых судовых турбоприводов требует значительных затрат средств, труда и времени. Поэтому закономерно стремление ускорить и удешевить этот процесс за счет автоматизации процесса проектирования. Проблема автоматизации процесса проектирования должна рассматриваться комплексно. На рис. 1 представлена структура комплексной системы автоматизированного производства и эксплуатации технических объектов. Каждая из этих подсистем при относительной независимости, вытекающей из различия целей, взаимодействует с остальными функциональными подсистемами в соответствии с определенными задачами. Исследования и научные разработки необходимо проводить по каждой из подсистем, однако процесс проектирования судовой техники желательно начинать с выбора автоматизированных систем проектирования (АСП). Для этих целей удобно применять предметно - ориентированные системы.

Одним из перспективных способов повышения эффективности разработки судовых МРТП является автоматизация процесса проектирования отдельных узлов и всего МРТП в целом с использованием интегрированных САПР (CAD/CAM/CAE-системы) на основе разработанных проблемноориентированных программных комплексов. Поэтому разработка как самой САПР МРТП, так и отдельных ее элементов: математической модели рабочего процесса, оптимизационной и геометрической модели, части конструкторскочертежной документации, на базе специализированных сред инженерного проектирования является актуальной задачей.

КСАПР и Э Комплексная система автоматизированного производства и эксплуатации АСП Автоматизированная система проектирования технологической подготовки производства

АСОП ИТР

АСУ ТПП

Автоматизированная система управления технологическими процессами производства

АСУ КИО

Автоматизированная система управления

АСУ ТЭО

Автоматизированная система управления Рис. 1. Структура обобщенной комплексной системы автоматизированного Цель работы - разработка элементов САПР: математической, оптимизационной и геометрической моделей судовых малорасходных турбоприводов с осесимметричными соплами на базе интегрированных систем автоматизированного проектирования, а также разработка предметно-ориентированных программных приложений для CAD/CAM/CAE - систем.

Объектом исследования является процесс автоматизированного проектирования судовых малорасходных турбоприводов с учетом технологических требований.

Предмет исследования - судовые малорасходные турбоприводы с осесимметричными соплами.

В соответствии с целью, объектом и предметом исследования были определены следующие задачи:

1. Разработать и апробировать математическую модель парциальной МРТ с осесимметричными соплами на базе решения прямой задачи турбинной ступени, позволяющие проводить вариантные и оптимизационные расчеты в широком диапазоне геометрических и термодинамических параметров.

2. Разработать компьютерную геометрическую модель соплового аппарата с осесимметричными соплами на базе интегрированной САПР для анализа пространственной компоновки и проверки на технологичность конструкции.

3. Разработать оптимизационную модель судовой МРТ с осесимметричными соплами, позволяющую осуществить формализованный выбор оптимального варианта проточной части с учетом геометрических, термодинамических и технологических ограничений.

4. Разработать компьютерную модель автоматизированного проектирования центробежного турбонасоса.

5. Разработать предметно-ориентированные программные приложения для CAD/CAM/CAE - систем, позволяющие повысить эффективность автоматизированного проектирования элементов судовых турбоприводов.

Основные методы исследования. Для решения поставленных задач были использованы следующие методы исследования: математического программирования; математического и компьютерного моделирования; интерактивной компьютерной графики; статистической обработки результатов экспериментов.

Научную новизну диссертационной работы составляют:

• результаты математического, геометрического и оптимизационного моделирования парциальных МРТ с осесимметричными соплами;

• математическая модель парциальной сверхзвуковой МРТ;

• компьютерная геометрическая модель соплового аппарата с осесимметричными соплами;

• оптимизационная модель судовой МРТ с осесимметричными соплами;

• компьютерная модель автоматизированного проектирования центробежного турбонасоса;

• методика создания предметно-ориентированных систем автоматизации в среде AutoCAD – AutoLISP и средства повышения эффективности решения прикладных задач в интегрированных САПР.

Научная новизна подтверждена шестью полученными авторскими свидетельствами на разработанные программы для ЭВМ, позволяющими повысить эффективность автоматизированного проектирования элементов судового оборудования.

Достоверность и обоснованность научных результатов обеспечивается использованием основных законов сохранения энергии и массы; определяется проверкой математической, геометрической и оптимизационной моделей на адекватность, применением современных методов решения экстремальных задач, проведением сравнительных экспериментов, накопленным научным и практическим опытом создания МРТ.

Практическая ценность работы • Разработанные методика расчета и вычислительный программный комплекс позволяют проводить автоматизированное проектирование судовых МРТ с осесимметричными соплами на номинальном режиме.

• Разработанные алгоритм расчета и его программная реализация, позволяют осуществить выбор оптимального варианта проточной части судовой МРТ с осесимметричными соплами с учетом геометрических, газодинамических и технологических ограничений.

• Разработанный пакет прикладных программ в среде AutoCAD – AutoLISP, позволяет проводить автоматизированное проектирование малорасходных турбоагрегатов, в том числе центробежных турбонасосов.

• Разработанная методика позволяет создавать предметноориентированные системы автоматизации в среде AutoCAD – AutoLISP, а пакет прикладных программ позволяет повысить эффективность решения прикладных задач в интегрированных САПР.

Личный вклад автора. При непосредственном участии автора проводились: постановка задач исследования; разработка математической и оптимизационной моделей МРТ; создание программного комплекса по оптимальному проектированию с условием технологичности изготовления МРТ с осесимметичными соплами; разработка компьютерной модели центробежного турбонасоса; разработка средств, повышающих эффективность автоматизированного проектирования элементов судовых турбоприводов.

Апробация работы осуществлялась в Морском государственном университете имени адм. Г.И. Невельского, Дальневосточном государственном техническом рыбохозяйственном университете. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных, российских научно – технических конференциях и симпозиумах: на 28-м международном симпозиуме "Инженерная педагогика 99", Стамбул, Турция, 1999; Международной научной конференция "Рыбохозяйственные исследования мирового океана", Владивосток, 1999; 9-ой международной конференции "Информационные технологии в образовании", Москва, 1999; VI международной конференции "Современные технологии обучения", Санкт – Петербург, 2000; 3-ей международной научной конференции "Рыбохозяйственные исследования мирового океана", Владивосток, 2005.

Реализация результатов работы: пять актов внедрения.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе: статья в рецензируемом научном журнале "Известия ТИНРО"; 4 авторских свидетельства о регистрации программ в Реестре программ для ЭВМ Российского агентства по патентам и товарным знакам; 2 авторских свидетельства об отраслевой регистрации разработок в Государственном координационном центре информационных технологий, зарегистрированных в Отраслевом фонде алгоритмов и программ.

На защиту выносятся.

• Математическая модель парциальной МРТ с осесимметричными соплами на базе решения прямой задачи турбинной ступени.

• Компьютерная геометрическая модель СА с осесимметричными соплами на базе интегрированной САПР для анализа пространственной компоновки и проверки технологичности конструкции.

• Оптимизационная модель судовой МРТ с осесимметричными соплами.

• Компьютерная модель автоматизированного проектирования центробежного турбонасоса.

• Результаты разработки предметно-ориентированных программных приложений для CAD/CAM /CAE - систем.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и содержит 208 страниц основного текста, рисунков, библиографический список из 118 наименований, 18 приложений на 24 страницах. На рис. 2 представлена структура диссертационной работы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится краткое обоснование актуальности работы и определяется место рассматриваемых проблем в вопросах автоматизированного проектирования судовых турбоприводов, применения в судовой энергетике сверхзвуковых малорасходных турбоприводов (МРТ) с осесимметричными соплами, определяется направление и цель исследований, дается общая характеристика и структура работы.

В первой главе рассмотрены современные проблемы повышения эффективности судовых турбоприводов. Усиление внимания к турбоприводам связано с общей проблемой повышения экономичности судовых энергетических установок. Отмечено, что судовые малорасходные турбоприводы (МТП) характеризуются малыми объемными расходами рабочего вещества, значительными теплоперепадами, жесткими требованиями к массогабаритным характеристикам, сложностью компоновки входных и выходных магистралей. Это ведет к малой высоте лопаточных аппаратов, парциальному подводу рабочего тела, большим сверхзвуковым скоростям потока, большому относительному влиянию утечек и к ограниченным технологическим возможностям при проектировании входных и выходных устройств. Перечисленные особенности малорасходных турбоприводов приводят к относительно низким значениям КПД. Отмечено, что МРТ с осесимметричными соплами обладают рядом преимуществ перед турбинами с лопаточным направляющим аппаратом с точки зрения их экономичности и технологичности.

Рис. 2. Структура диссертационной работы Одним из наиболее перспективных способов создания эффективных судовых МТП является автоматизация процесса проектирования отдельных узлов и всего МТП в целом. Исследовано, что возрастание сложности проектируемых судовых турбоприводов привело к формированию концепции и методологии автоматизации проектирования, в которых моделирование является одним из основных методов обеспечения проектных работ. Поэтому САПР основана на регулярном применении современных математических методов и средств вычислительной техники в процессе принятия проектных решений, в организации и управлении проектированием. В САПР судовых турбоприводов должны включаться математические модели (ММ) газодинамических процессов и оптимизационные модели малорасходных турбин (МРТ), позволяющие повысить их эффективность при перечисленных выше требованиях к МРТ.

Оценивались различные ММ, которые можно применить к САПР МРТ.

Существуют САПР, выдающие готовые чертежи по ММ турбин, и такие САПР и ММ достаточно успешно работают в области создания больших турбин, где главным образом применяются дозвуковые сопловые аппараты лопаточного типа. При использовании МРТ с осесимметричными соплами возникает проблема, которая никогда не возникает в больших турбинах с лопаточными сопловыми аппаратами. Это перерезывание до- и сверхзвуковых частей соседних сопел СА. Возникает необходимость проверки соплового аппарата на технологичность и газодинамическую эффективность конструкции. Для этого интегрированные САПР позволяют найти решение еще до изготовления изделия.

Проведен анализ существующих САПР различного направления, применяемых в судостроении. Однако использование этих систем требует решения проблемы их интеграции с машиностроительными САПР для проектирования элементов судовых энергетических установок. Выявлено, что автоматизированных систем существует много, и в основном они направлены на корректировку конструкции механизма с точки зрения прочности.

Автоматизированное проектирование судовых турбоприводов необходимо решать комплексно: в представленной работе в качестве практического обоснования метода проектирования предложено рассматривать МРТ, нагрузочное устройство и методы, повышающие эффективность автоматизации турбоприводов. В данной работе рассматриваются в качестве объектов исследования турбины для привода судовых центробежных насосов. Это объясняется тем, что на судах используется большое количество центробежных насосов самых разнообразных конструкций. Дальнейшее совершенствование турбопривода как элемента СЭУ основано на детальном изучении специфики процессов, происходящих в судовых турбоприводах (СТП), и требует решения задачи оптимизации параметров СТП с использованием интегрированных САПР.

Описаны подходы и методы, повышающие эффективность автоматизированного проектирования элементов СТП. Сформулированы цели и задачи исследований.

Вторая глава посвящена разработке математической модели МРТ, компьютерной геометрической модели пространственной компоновки соплового аппарата МРТ с осесимметричными соплами, оптимизационной модели судовой МРТ с осесимметричными соплами с учетом конструкторскотехнологических требований.

При постановке и решении задачи оптимизации МРТ были определены функция цели (ФЦ), состав оптимизируемых параметров и основные ограничения. Любая турбина, работающая в составе ЭУ, должна обеспечивать требуемую мощность на номинальном режиме. Требование равенства мощностей турбины и потребителя (уравнение баланса мощностей) является основной функциональной связью турбины как элемента ЭУ. Наличие такой связи диктует необходимость включения в состав оптимизируемых переменных не только геометрических, но и термодинамических параметров, которые являются параметрами рабочего тела перед турбиной и предназначены для удовлетворения равенства мощностей турбины и потребителя.

Для решения задачи оптимизации МРТ в составе ЭУ методом математического моделирования необходимо построение математической модели турбины, которая должна адекватно отражать влияние оптимизируемых переменных и обеспечивать возможность удовлетворения требования равенства мощностей. Такая модель может быть построена как на базе обратной задачи турбинной ступени (проектировочный расчет), так и на базе прямой задачи (поверочный расчет) с привлечением необходимого минимума экспериментальных данных. Перспективным представляется использование модели на базе прямой задачи, так как возможно дальнейшее развитие разрабатываемого подхода к оптимизации МРТ на случай оптимизации с учетом переменных режимов работы, задаваемых графиком нагрузки установки.

При решении задачи оптимизации МРТ в составе ЭУ важным является корректный выбор функции цели. В качестве ФЦ при оптимизации турбин обычно выбирают эффективность преобразования энергии в турбине, т.е. внутренний КПД турбины тi. Для МРТ в составе ЭУ ФЦ (паротурбинный цикл) где N т – мощность турбины, Gп – расход пара, h0 – полная энтальпия пара перед турбиной, hк – энтальпия конденсата.

Или для турбинной установки, работающей по циклу ЖРД где Gт = Gгор + Gокисл – расход рабочего тела через турбину, равный сумме расходов горючего и окислителя; hт = mhгор + (1 m)hокисл – энтальпия топливной смеси окислителя и горючего.

где в – внутренний КПД турбины; h2– энтальпия рабочего тела за турбиной.

Задача оптимизации МРТ в составе ЭУ в наиболее общем виде формулируется следующим образом. Необходимо максимизировать нелинейную ФЦ с учетом нелинейных ограничений в виде равенств: ( X, Z, Y ) = 0, В этих выражениях X – совокупность конструктивных независимых переменных, формирующих проточную часть турбины; Z – совокупность термодинамических независимых переменных, которые являются параметрами рабочего тела перед турбиной и предназначены для удовлетворения равенства мощностей турбины и потребителя; Y – множество внутренних зависимых переменных математической модели МРТ. Множество объединяет балансовые уравнения математической модели МРТ и уравнение баланса между мощностью турбины и потребителя. Требования к МРТ, а также область адекватности математической модели турбины описываются функциональными ограничениями G и Y(X,Z). Показатели независимых внешних и внутренних факторов, которые не являются оптимизируемыми переменными, считаются заданными, т.е. А= А0.

Сформулированная в общем виде задача оптимизации МРТ в составе ЭУ представляет собой нелинейную многофакторную задачу условной оптимизации. Нелинейность задачи объясняется тем, что функциональные зависимости описывающие математическую модель МРТ, представляют собой различного рода комбинации алгебраических и трансцендентных уравнений, совместное решение которых осуществляется численным методом.

В общем случае основными исходными данными для оптимизации MPT в составе ЭУ являются: NТ - эффективная мощность турбины ; nнагр - частота вращения нагрузочного устройства; P2 - давление рабочего тела за турбиной;

свойства рабочего тела (k, R и др.). Модульный принцип построения математической модели МРТ позволяет проводить оптимизацию по большому числу независимых параметров: конструктивному уголу выхода потока из СА 1к ; геометрической степени расширения сверхзвуковых сопел f0=f1/fкр, где f1 и fкр площади выходного и критического сечения сопла; конструктивному уголу входа потока в РК 1к ; высоте рабочих лопаток 12 ; корневому диаметру рабочего колеса Dк ; шагу рабочих лопаток t; числу сопел СА zс ; давлению и температуре торможения рабочего тела на входе в турбину Р0*, Т0*.

Функцией цели для оптимизации МРТ является одно из выражений (1), (2) или (3) в зависимости от принятой тепловой схемы ЭУ.

Учитывались ограничения в виде равенства Nт=Nзад и неравенств: Uk (Dk, nT) 400-500 м/с; 1k - 1k 0°; 1 (1k, l1, Dk, zc, A0) зад (1- степень парциальности). Ограничения, накладываемые на внутренние зависимые переменные, позволяющие избежать решений, выходящих за область адекватности ММ МРТ и вычислительных трудностей: Dср / l1 8-10; y2 (X, Z, Y, A0) 0.1 (y2 – степень влажности), т (X, Z, Y, A0) 0.5 (т –степень реактивности ступени); М1tmin М1t (X, Z, Y, A0) М1tmax; Мw2tmin Мw2t (X, Z, Y, A0) Мw2tmax.

Для повышения эффективности решения задачи оптимизации МРТ методом покоординатного спуска ее необходимо модифицировать с целью уменьшения размерности и исключения нелинейного ограничения типа равенства Модель оптимизации можно также улучшить с помощью преобразования ФЦ и ограничений, при этом решение задачи получается более наглядным.

Так как числитель выражения (1), (2) или (3) с учетом условия (5) является величиной заданной, то максимум выражения (1), (2) или (3) достигается путем отыскания минимума знаменателя. Таким образом, задача максимизации абсолютного внутреннего КПД цикла с учетом ограничения (5) сводится к задаче минимизации количества подведенного тепла с соблюдением условия (5):

или располагаемой энергии Е расп = Gт (h0 h2 ) Понижение размерности задачи и исключение ограничений (5) производится путем численного решения уравнения (5) относительно параметра Р0* с последующим исключением его путем подстановки найденного значения в соотношения, описывающие задачу. При этом ограничения типа границ, накладываемые на исключаемый термодинамический Разработанная математическая модель Математическая модель МРТ представлеМ а те м а тич еска я м о д ел ь прямой задачи турбинной ступени. Уравнения, Блочная модель элемента ПЧ включает в себя основные уравнения сохранения и подмодель определения потерь кинетической энергии. Расчет ведется в шести характерных сечениях (рис.4).

P0, T0* Целесообразность применения в задачах оптимизации МРТ алгоритмических моделей объясняется возможностью дальнейшего совершенствования модели и удобством проведения оптимизационного поиска на различных моделях, описывающих различные типы турбин без изменения алгоритма оптимизации.

В качестве исходных внешних параметров принимаются параметры рабочего тела на входе: Р0*, Т0*; свойства рабочего тела: k, R; давление среды в затурбинном пространстве Р2, геометрические параметры ступени. В качестве независимых переменных принимались давление в камерах и зазоре активной дуги: Р1, Рк.

Участки, из которых состоит расчетная схема (рис. 4) разделяются на три типа:

• Основные участки: СА и рабочее колесо. Эти участки имеют постоянный расход от входа до выхода и описываются общепринятыми уравнениями энергии, процесса, расхода, состояния совершенного газа, эмпирической зависимости для определения коэффициента скорости СА.

• Периферийные и корневые зазоры. Утечки через них могут определяться по литературным данным. Для определения давлений в зазоре за СА р1к и р1п использовано упрощенное уравнение радиального равновесия с учетом сжимаемости и потерь кинетической энергии в СА:

Корневая протечка определяется из решения уравнения методом хорд-секущих относительно давления в камере диска Pk. На каждой итерации уточняются коэффициенты расхода в соответствии с режимом течения.

• Участки в межвенцовых зазорах, где расход меняется от входа к выходу. Для участка такого типа при моделировании процессов энергии и массобмена делаются следующие предположения: энергия и количество движения массы утечки считается полностью потерянной и не совершающей работы в ступени; процесс смешения потоков считаем изобарным; параметры смеси в сечении 1’, размазываются по всей высоте венца (уравнение неразрывности).

Система исходных уравнений имеет следующий вид:

Система (9)-(13) cводится к квадратному уравнению относительно h1cм.

В результате решения системы определяются параметры: С1см, Т1см, С1uсм, С1асм, 1см. В записанной системе уравнений энергия, вносимая подсасываемой массой рабочего тела в осевой зазор, отнимается от диска РК. При этом часть энергии, вносимой в осевой зазор, может совершать работу на лопатках РК.

При принимаемой модели полного перемешивания потоков момент количества движения в сечении 1’, подсасываемой струи равен нулю и составляет аэродинамические потери смешения, то При парциальном подводе в МРТ через неактивную дугу протекает дополнительная масса рабочего тела равная Gkотс или Gkпод, что ведет к увеличению затрат мощности на неактивной дуге (рис. 4).

Затраты мощности на неактивной дуге можно представить в виде суммы:

где Nв – мощность вентиляции при Gk =0; NGk – дополнительная мощность, вызванная прокачкой рабочего тела Gk..

С2uU и направлена в сторону вращения РК.

При подсосе у корня РК можно положить С2uнеакт 0 (2неакт 90°), а C1uнеактU. Тогда формула для определения дополнительной мощности:

Описанная выше ММ сверхзвуковой МРТ сводится к балансовому уравнению расходов в осевом зазоре которое решается с заданной точностью методом ход-секущих относительно P1, на каждой итерации которого решается уравнение (8).

Проверка адекватности математической модели в широком диапазоне изменения геометрических и режимных параметров по результатам экспериментальных исследований различных авторов показала хорошее совпадение расчетных и опытных значений внутреннего КПД турбины в (рис. 5).

0. 0. 0. 0. Рис. 5. Сравнение расчетных и экспериментальных данных одноступенчатых Численный эксперимент на математической модели оптимизации МРТ был выполнен для автономной паротурбинной установки НПА с различными потребной мощностью и скоростью движения. В качестве нагрузочного устройства использовался лопастной винт.

Оптимизация термодинамических и геометрических параметров одноступенчатой МРТ с осесимметричными соплами проводилась в следующей области их изменения: 14° 1k 20° ; 25° 1k 36° ; 0,17 Dk 0,3; 0,008 l 0,017; 1,6 fc 2,78; 0,6 t2 / b2 0, 8; ( Dk, l2 – в [м]); 1,0 P 0 [МПа] 3,5 ; В табл. 1 представлены геометрические характеристики сравниваемых вариантов МРТ, полученные в результате оптимизации с расширенным составом оптимизируемых переменных за счет числа сопел (дискретный параметр).

турбины, кВт При оптимизации на соответствующий режим по критерию – минимума подведённой к рабочему телу теплоты, при заданном значению n Т и ограничения Uk 450 м/с приводит к снижению Т 0 и увеличению Р 0 практически до их минимальной и максимальной границ соответственно, что ведёт к снижению Q и увеличению параметра U / С 0. Как видно из данных табл. 1, у МРТ, спроектированных на NT =516 кВт и NT = 258 кВт, наблюдаются пониженные значения высот лопаток РК l2 и повышенные значения сопел zc по сравнению с вариантом N = 155 кВт. Это объясняется повышенными значениями параметра U/С 0 - 0,4 и 0,33 соответственно, т.е. снижение высоты лопатки компенсируется повышением zc, а это приводит к сокращению потерь от парциальности и увеличению потерь в РК, что приводит к снижению G и увеличению в. Для варианта N = 155 кВт параметр U / С 0 имеет пониженное значение – 0,28, что приводит к обратному результату: уменьшению zc и повышению l2. Наблюдаются также повышенные значения угла 1k, что связано со стремлением снизить потери от угла поворота потока.

Рассмотренные особенности результатов оптимизации по критерию Q показывают, что для сверхзвуковых МРТ характеризующихся неоптимальными значениями параметра U / С 0 и работающими в составе ЭУ необходимо проведение оптимизации на основе именно прямой задачи турбинной ступени. Численный эксперимент показал, что предложенный подход к оптимизации МРТ на основе прямой задачи турбинной ступени позволяет снизить расход топлива (увеличить автономность) при условии обеспечения заданной мощности энергетической установки и автоматически решает проблему выбора расчетного скоростного режима при неоптимальных значениях параметра U/C0*.

При оптимизации проточной части МРТ, как указывалось выше, требования высокой экономичности должны рассматриваться совместно с требованиями технологичности в производстве и надежности в эксплуатации. Требования высокой экономичности и технологичности конструкции, как правило, противоречат друг другу. В МРТ с осесимметричными соплами уменьшение потерь кинетической энергии в сопловом аппарате достигается путем организации тангенциального входа потока в СА и выбором больших значений степени поджатия дозвуковой части сопла. Это при некоторых сочетаниях конструктивных параметров МРТ приводит к невозможности компоновки сопел в СА без перерезывания до- и сверхзвуковых частей и нарушению прочности конструкции.

Эта задача может быть решена, если всю совокупность независимых геометрических параметров СА разделить на две части:

• определяющие параметры (1k, t1, dkp, fc, d1,, D1ср, zc, nвх, опт), которые могут варьироваться в широком диапазоне и изменение которых сильно влияет на эффективность МРТ;

• конструкторско-технологические параметры (d вх, l вх, r кр, R/rkp, lbx/rkp, R), для которых существует узкая область возможных значений, определенная на основе опыта проектирования сверхзвуковых МРТ, в пределах которой обеспечивается высокий уровень экономичности СА и слабое влияние этих параметров на потери в соплах.

Тогда оптимизация газодинамических характеристик судового турбопривода ведется по основным определяющим параметрам, а удовлетворение технологических требований осуществляется по конструкторско-технологическим параметрам с небольшой потерей экономичности работы турбопривода. Укрупненный алгоритм решения сформулированной задачи следующий: вначале осуществляется оптимизация по основным параметрам при фиксированных значениях конструкторско-технологических параметров с целью увеличения экономичности турбопривода, затем полученные оптимальные значения основных геометрических параметров СА передаются в геометрическую модель СА с осесимметричными соплами, которая осуществляет пространственную компоновку и проверку на отсутствие перерезывания до- и сверхзвуковых частей соседних сопел (рис. 6). При перерезывании сопел из конечного результата возвращаются в ММ другие граничные условия для обеспечения не перерезывания сопел, снова выполняется расчет всей ступени и определяется новый КПД ступени. Это позволяет уже на данном этапе оценить турбину по технологическим и газодинамическим требованиям, и при положительном решении конечные результаты передаются в следующий блок автоматизированного проектирования на изготовление рабочих чертежей.

Разработанная в среде AutoCAD – AutoLISP геометрическая модель СА с осесимметричными соплами представляет собой программу пространственной компоновки и проверку на отсутствие перерезывания до- и сверхзвуковых частей соседних сопел. При разработке геометрической модели СА с осесимметричными соплами принималась схема СА, где наиболее рационально осуществлять подвод рабочего тела к нему так, чтобы во всем предсопловом пространстве линиями тока были прямые, являющиеся продолжением осей сопел. Необходимо обратить внимание, что для отдельных линий тока в рассматриваемой задаче справедливо уравнение 2 2 ctg 1Г = 1, где r и z – текущие коордиR1 R наты, R1 - радиус окружности на входе в СА. Данное уравнение является уравнением гиперболоиды.

Оптимизация малорасходного турбопривода с оссесимметричными Расчет опорных точек геометрического моделирования Компьютерная модель расположеВвод данных Рис. 6. Блок-схема оптимизационной модели судовой МРТ с учетом конструкторско-технологических требований В качестве исходных данных для геометрической модели вводятся оптимальные геометрические характеристики проектируемого турбопривода 1k, t1, fc, d1, D1ср, zc, nвх, опт и учитываются области оптимальных значений конструкторско-технологических параметров: 2.0 lbx/ rkp 3.0; nbx = (d1/ dkp)2 = 3-6;

1.0 R / rkp 2.0. Если компоновка происходит успешно с соблюдением всех технологических требований, то процесс оптимизации считается законченным.

И по результатам расчета выполняется чертеж проточной части МРТ. При наличии перерезывании до- и сверхзвуковых частей соседних сопел осуществляется коррекция компоновки сопел в СА путем варьирования значений конструкторско-технологических параметров в пределах их допустимой области значений. Найденные новые значения конструкторско-технологических параметров, удовлетворяющие технологическим требованиям, передаются в оптимизационную модель газодинамических характеристик МРТ для корректировки математической модели.

При геометрическом моделировании в среде AutoCAD-AutoLISP удобно пользоваться различными средствами, позволяющими визуально определить результат пространственной компоновки и проверку на отсутствие перерезывания до- и сверхзвуковых частей соседних сопел СА с осесимметричными соплами, а также появлением текстового сообщения.

На рис. 7 представлен результат программы геометрического моделирования СА: а) обнаружены участки перерезывания двух соседних сопел; б) отсутствие участков перерезывания. Отсутствие перерезывание до- и сверхзвуковых частей соседних сопел СА достигнуто изменением степени поджатия дозвуковой части сопла nс.

Рис. 7. Фрагмент результата работы программы геометрического моделирования СА с осесимметричными соплами Третья глава посвящена разработке компьютерной модели проектирования турбонасосного агрегата. ММ МРТ проектируется, исходя из условий ограничения мощности нагрузочного устройства. В данном случае эффективная мощность турбопривода равна потребной мощности насоса для обеспечения заданных подачи и напора (Nт=Nзад.). Для адаптации оптимизационной модели судовой МРТ с осесимметричными соплами в режиме автоматизированного проектирования необходимо разработать элементы САПР на базе интегрированных систем. Одним из элементов САПР судового МРТП является компьютерная модель автоматизированного проектирования судового центробежного насоса–потребителя механической энергии турбины. За основу математической модели судового центробежного насоса принята методика проектировочного расчета методом последовательных приближений.

На примере разработки системы автоматизированного проектирования судовых центробежных насосов "ЦЕНТР" рассмотрена методика создания предметно - ориентированных систем автоматизированного проектирования элементов судовых механизмов в среде AutoCAD – AutoLISP. Представленные методика и алгоритмы программ автоматизированного проектирования в среде AutoCAD-AutoLISP позволяют разрабатывать предметно–ориентированные приложения для любых элементов судовых механизмов в зависимости от поставленных задач.

Основная цель системы "ЦЕНТР" (А. С. № 200461112) следующих основных задач:

автоматического расчета геометрических и гидродинамических параметров автоматического построения результатам расчетов;

получения в автоматическом меридионального сечения рабочего колеса; определения оптимального варианта конструкции проектируемого центробежного насоса.

На рис. 8 представлена структурная схема системы автоматизированного проектирования судовых центробежных насосов "ЦЕНТР". Рис. 8. Структурная схема системы автоматизированного Разработка системы "ЦЕНТР" базируется на современных принципах построения математического обеспечения и идеях структурного программирования, основными из которых являются: нисходящая схема разработки и отладки системы; универсальность и незамкнутость по отношению к расширению задач проектирования и применению новых эффективных алгоритмов на основе методов программирования на языке AutoLISP; высокая степень автоматизации и точность всех расчетов; использование средств компьютерной графики для визуализации и обработки результатов проектирования.

Проведена адаптация панелей инструментов для ускорения и упрощения работы системы, созданы новые панели инструментов В четвертой главе представлены разработанные программные средства, для повышения эффективности автоматизированного проектирования элементов судовых турбоприводов.

Немаловажна задача эффективного использования САПР при решении конкретных задач, предполагает ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС специально разработанные пользователей под решение профессиональных задач. Для Предметно- Автоматизированный выполнения поставленных целей ориентированные комплекс "ГРАФИКА" комплекс на базе специализированных компьютерных систем.

программного комплекса:

предметно-ориентированные проСистема "LECTOR" граммы (Авт. свидетельства №, 2002610310; 2002610311; 273) автоматизированный комплекс "ГРАФИКА" (Авт. свидетельства № 2001611648; 3272).

Созданный на базе научных и методологических исследованиий способствует повышению эффективности внедрения автоматизированного проектирования Рис.9. Структура программного комплекса в производство и подготовки специалистов к использованию САПР. Он обеспечивает поэтапное освоение средств компьютерной графики (базовая графическая система AutoCAD); языка программирования AutoLISP; разработку и выполнение конструкторской документации элементов судовых механизмов с использованием разработанных программ;

разработку предметно–ориентированных приложений; навыки работы с САПР.

Использование разработанных предметно-ориентированных программ при решении профессиональных задач специалистами дает значительное увеличение производительности труда на стадии конструирования элементов судовых механизмов. При их использовании решается следующий ряд задач: необходимые расчеты производятся автоматически; вычерчивание чертежа происходит в автоматическом режиме; выбор оптимального варианта при моделировании геометрических объектов производится за небольшой промежуток времени. Предметно-ориентированные программы могут использоваться специалистами, не имеющими большого опыта работы в системе AutoCAD.

Для автоматизированного проектирования МРТ со сложными ММ необходима подготовка соответствующего инженерного персонала к работе с такими программными блоками, которые включают в себя ММ. Разработанный автоматизированный комплекс "ГРАФИКА", состоящий из автоматизированной системы лекционного курса "LECTOR" и электронного учебника "ГЕОМЕТР" позволяет изучать методы освоения САПР разного направления.

Проведенные эксперименты подтверждают выводы об эффективности использования компьютерных технологий при обучении современным средствам проектирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана математическая и оптимизационная модели газодинамических характеристик парциальных МРТ с осесимметричными соплами на базе решения прямой задачи турбинной ступени, позволяющие проводить вариантные и оптимизационные расчеты в составе интегрированных САПР.

2. Проведенная апробация ММ МРТ по результатам экспериментальных исследований различных авторов в широком диапазоне геометрических и термодинамических параметров показала хорошее совпадение расчетных значений с экспериментальными данными. Абсолютная погрешность расчетных значений составляет не более 2.5%. Это позволяет использовать ее для автоматизированного проектирования новых МРТ.

3. Проведенный численный эксперимент на оптимизационной модели показал, что предложенный подход к оптимизации МРТ на основе прямой задачи турбинной ступени позволяет снизить расход топлива (увеличить автономность) при условии обеспечения заданной мощности энергетической установки и автоматически решает проблему выбора расчетного скоростного режима при неоптимальных значениях параметра U/C0*.

4. Разработана геометрическая модель соплового аппарата с осесимметричными соплами на базе интегрированной САПР в среде AutoCAD – AutoLISP, позволяющая производить пространственную компоновку и проверку на технологичность конструкции.

5. Разработан алгоритм оптимизационной модели судовой МРТ с осесимметричными соплами, позволяющий осуществить формализованный выбор оптимального варианта проточной части с учетом геометрических, газодинамических и технологических ограничений. Эта задача решена при разделении всей совокупности независимых геометрических параметров СА на две части:

определяющие параметры (1k, t1, dkp, fc, d1,, D1ср, zc, nвх, опт), которые могут варьироваться в широком диапазоне и изменение которые сильно влияет на эффективность МРТ;

• конструкторско-технологические параметры (d вх, l вх, r кр, R/rkp, lbx/rkp, R), для которых существует узкая область возможных значений, определенная на основе опыта проектирования сверхзвуковых МРТ, в пределах которой обеспечивается высокий уровень экономичности СА и слабое влияние этих параметров на потери в соплах.

При указанных условиях оптимизация газодинамических характеристик судового турбопривода осуществляется по основным определяющим параметрам, а удовлетворение технологических требований осуществляется по конструкторско-технологическим параметрам с небольшой (до 1-1.5% КПД МРТ) потерей экономичности работы турбопривода.

6. Разработана компьютерная модель автоматизированного проектирования центробежного турбонасоса – потребителя механической энергии турбины (в составе турбопривода), позволяющая проводить автоматизированное проектирование малорасходных турбоприводов с позиций системного подхода.

7. Предложена методика разработки предметно-ориентированных систем в среде AutoCAD – AutoLISP и комплекс программ для CAD/CAMсистем, позволяющие повысить эффективность автоматизированного проектирования элементов судовых турбоприводов.

Реализовано эффективное применение разработанного автоматизированного комплекса при подготовке соответствующего инженерного персонала к работе с программными блоками, включающими в себя ММ, и показаны методы освоения САПР разного направления. Проведенные эксперименты показали эффективность использования автоматизированных систем при освоении компьютерных технологий по сравнению с традиционными методами.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих изданиях:

1. Морозова, Н.Т. Программа курса компьютерных лекций "LECTOR".

Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2001611648 от 04.12.2001// Реестр программ для ЭВМ. М.: Российское агентство по патентам и товарным знакам, 2001.

2. Морозова, Н.Т. Программа моделирования резьбовых соединений.

Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2002610310 от 04.03.2002// Реестр программ для ЭВМ. М. Российское агентство по патентам и товарным знакам, 2002.

3. Морозова, Н.Т. Комплекс программ дополнительных команд Автокада. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2002610311 от 04.03.2002// Реестр программ для ЭВМ. М.: Российское агентство по патентам и товарным знакам, 2002 г.

4. Морозова, Н.Т. "Центр" – система автоматизированного проектирования рабочих колес судовых центробежных насосов" Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2004611129 от 07.05.2004// Реестр программ для ЭВМ. М.: ФИПС, 2004.

5. Морозова, Н.Т. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 3273 Государственного координационного центра информационных технологий на разработку "Геометрическое моделирование деталей судовой запорной арматуры"; Отраслевой фонд алгоритмов и программ.

6. Морозова, Н.Т. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 3272 Государственного координационного центра информационных технологий на разработку "ГЕОМЕТР"- электронный учебник; Отраслевой фонд алгоритмов и программ.

7. Симашов, Р.Р., Морозова, Н. Т. Оптимизация малорасходных турбин в составе энергетических установок автономных подводных аппаратов для разведки и исследования морских биоресурсов // Известия ТИНРО. Т. 145.

Владивосток, 2006. - С. 381-396.

8. Симашов, Р.Р., Морозова, Н.Т. Элементы САПР судовых малорасходных турбоприводов. Материалы III Международной научной конференции.

Владивосток, 19-21 мая 2005 г. С. 22.

9. Морозова, Н.Т. Автоматизированное проектирование рабочих колес судовых центробежных насосов: Материалы III международной научной конференции. Владивосток, 19-21 мая 2005 г.

10. Morozova N. T. and Kuslyakina V. V. Application of AutoCAD and Power Point in learning of engineering graphic arts other special subjects. Referate des 28.

Internationalen Symposiums "Ingenieurpdagogik '99". 1999, Istanbul, Turkey. – Band 42 – S. 604 – 608.