Исследование влияния переменной по радиусу входной закрутки потока на эффективность межтурбинных переходных каналов ГТД

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Актуальность работы. Требования уменьшения массы газотурбинного двигателя (ГТД) и повышения его экономичности приводят к необходимости оптимизации межтурбинных переходных каналов (МПК) (рис. 1) на стадии проектирования. Анализ данных о влиянии изменения коэффициентов потерь в элементах проточной части ГТД показывает, что газодинамическое совершенство МПК, а также характеристики потока, выходящего из переходника, оказывают существенное влияние на газодинамические характеристики турбины низкого давления и основные эксплуатационные показатели двигателя.

Рис. 1. Межтурбинный переходный канал

межтурбинный кинетический диффузорный

Современные авиационные ГТД имеют высокоперепадные одноступенчатые турбины, отличительной особенностью которых является невозможность получения осевого выхода потока из турбины. Таким образом, течение практически во всех МПК происходит при наличии входной закрутки потока.

Несмотря на значительные усилия ряда отечественных и зарубежных научно-исследовательских и конструкторских организаций уровень изученности МПК с закруткой газового потока на входе, остается неполным. В частности, на сегодняшний день информации о влиянии входной закрутки потока при различных способах распределения по радиусу (закрутка по высоте увеличивается, закрутка по высоте уменьшается) на уровень потерь при средней и умеренной диффузорности недостаточно, а для большой диффузорности информация практически отсутствует.

Подобная ситуация требует серьезных материальных затрат на экспериментальные исследования и доводку ГТД с МПК, и замена этих работ расчетно-аналитическими методами на стадии проектирования является весьма актуальной.

Целью работы является исследование влияния переменной по радиусу входной закрутки потока на эффективность межтурбинных переходных каналов ГТД.

Для достижения поставленной цели необходимо:

1. Установить зависимость характеристик потока в МПК от уровня входной закрутки;

2. Выполнить анализ структуры потока в исследуемом канале с помощью верифицированного численного метода;

3. Выявить условия, определяющие оптимальное профилирование меридиональных образующих МПК.

Методы исследований. Для решения поставленной задачи используются:

- методы экспериментального исследования параметров течения в каналах;

- методы численного моделирования, основанные на решении осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса, замыкаемых «k-е» - моделью турбулентности;

- методы математической статистики.

Достоверность и обоснованность результатов исследования:

- достигается применением основополагающих законов термогазодинамики лопаточных машин и диффузорных каналов, применением сертифицированных средств измерения, прошедших необходимую поверку и калибровку;

- подтверждается совпадением результатов численного расчета с опытными данными и результатами других исследователей.

На защиту выносятся:

- результаты экспериментального исследования аэродинамических характеристик модели МПК при переменной по радиусу входной закрутке потока;

- рекомендации по профилированию меридиональных образующих МПК в условиях переменной по радиусу входной закрутки потока.

Научная новизна. Новыми научными результатами, положенными в основу предложенного методического подхода к аэродинамическому проектированию МПК, являются:

1. Экспериментально выявленная, для МПК с коническими меридиональными образующими, зависимость потерь энергии и изменения углов потока от характера распределения по радиусу входной закрутки потока. При этом показано, что при уменьшающейся по радиусу закрутке обнаруживаются минимальные потери, в то время как при увеличивающейся по радиусу закрутке наблюдается постоянный рост потерь по мере увеличения закрутки.

2. Установленная зависимость минимальных потерь, при уменьшающейся по радиусу входной закрутке потока, вызвана различным (разнонаправленным) изменением потерь во втулочной и периферийной областях МПК. Рост потерь, при увеличивающейся по радиусу входной закрутке потока, объясняется определяющим влиянием втулочных сечений МПК. В случае уменьшающейся по радиусу входной закрутки относительный вклад в общие потери втулочных и периферийных сечений зависит от величины средней по высоте закрутки, что объясняет существование минимальных потерь при закрутке 3°…8°.

3. Впервые введение в практику проектирования МПК относительного интегрального параметра пристеночной входной закрутки потока, более детально отражающего влияние пристеночного течения потока на потери при любом распределении по радиусу входной закрутки потока.

4. Установление соотношения входного и выходного радиусов сопряжения образующих канала, обеспечивающего минимальные потери энергии в канале при различном распределении по радиусу входной закрутки.

Практическая полезность. Результаты исследования положены в основу методологического подхода к проектированию МПК, отличающегося от традиционных:

- в обоснованном задании при профилировании лопаток первой ступени ТНД распределения углов потока по высоте канала на выходе из МПК;

- в автоматизированном выборе образующих МПК с учетом распределения закрутки потока на входе;

- в рациональном выборе радиусов сопряжения меридиональных образующих проточной части, соответствующих минимальным потерям энергии в канале при различном распределении по радиусу входной закрутки.

Реализация результатов. Сформулированные по результатам диссертационной работы рекомендации применяются при проектировании и доводке МПК в ОАО «НПО«САТУРН» г. Рыбинск.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

- Всероссийская научно-техническая конференция «Теплофизика технологических процессов» г. Рыбинск, 2005 г.;

- международная научно-техническая конференция «Проблемы и перспективы развития двигателестроения», Самара: СГАУ, 2006 г.;

- международная школа-конференция молодых ученых, аспирантов и студентов им. П.А. Соловьева и В.Н. Кондратьева «Авиационная и ракетно-космическая техника с использованием новых технических решений» г. Рыбинск, 2006 г.

- Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы развития транспорта», г. Киров, 2008 г;

- Всероссийская научно-техническая конференция молодых ученых, аспирантов и студентов «Авиационная и ракетно-космическая техника». г. Рыбинск, 2008 г;

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 7 статьях, в том числе две в рекомендованных ВАК изданиях, двух тезисах докладов всероссийских научных конференций.

1. Обзор и анализ отечественной и зарубежной литературы по вопросам изучения течения в диффузорных каналах с использованием экспериментальных и численных методик, основных проблемах и достижениях в этой области

В главе обозначены проблемные вопросы, связанные с современными представлениями о течении газа в искривленных каналах при отсутствии и при наличии положительного продольного градиента давления, о влиянии изменения кривизны меридиональных обводов на возникновение отрыва потока газа.

Обоснована целесообразность применения «k-е» - модели турбулентности для замыкания системы уравнений Навье-Стокса при численном решении задач течения газа в МПК.

Представленный в главе анализ материалов свидетельствует о недостаточной ясности механизма влияния входной закрутки потока на течение в МПК и указывает на необходимость изучения аэродинамических явлений в них.

2. Методика проведения эксперимента и обработки опытных данных, описание применяемых средств измерения и определение погрешностей измерений

Аэродинамический стенд, используемый для исследования переходных каналов, создан на базе низконапорного вентилятора ВН-800-0,01, позволяющего получить на номинальном режиме работы избыточное давление в 1000Па при массовом расходе воздуха примерно в 1,5 кг/с. Такие возможности аэродинамического стенда позволяют проводить испытания каналов при максимальных скоростях газа на входе в исследуемый канал до 50 м/с, что соответствует приведенной скорости ?1 = 0,14. Испытания проводились при числе Re 3,4Ч105, что соответствует области автомодельности по числу Re, для кольцевых диффузоров и числу Re близком для реальных МПК на расчетном режиме работы ГТД.

Для решения задачи исследования была спроектирована и изготовлена экспериментальная установка (рис. 2), состоящая из подводящего цилиндрического канала, имеющего лемнискатный вход и исследуемого диффузорного канала. Аппарат закрутки установлен в подводящем канале и представляет собой кольцевую решетку с поворотными лопатками.

Рис.2. Модель экспериментальной установки

Наружная стенка исследуемого диффузорного канала была запрепарирована под измерение статического давления. Характеристики канала следующие: геометрическая диффузорность F2 / F1 = 1,6 и угол раскрытия эквивалентного конического диффузора экв = 13,5. При исследовании модели канала проведены замеры распределения полного давления на входе и выходе в диффузорный канал, распределение статического давления вдоль образующих канала и распределение действительных углов потока на выходе из канала. Перемещение датчика по входным и выходным сечениям канала при измерениях осуществлялось с помощью автоматического координатного устройства, управляемого ЭВМ. Принцип организации измерений представлен на схеме (рис.3).

Рис. 3. Принцип организации измерений

Коэффициент потерь кинетической энергии определялся из соотношения:

,(1)

где - разность между полными напорами на входе и выходе из канала, определенная по осредненным значениям замеренных параметров; , - плотность и скорость воздуха на входе в канал соответственно.

Рис.4. Регистрация давления в текущей точке и доверительный интервал

Измерительный стенд был оснащен измерителями давления ДДМ-2500ДИ, регистрирующими давление в диапазоне 0…2500 Па и измерителем давления ДДМ-0,25ДИВ, регистрирующим давление в диапазоне ±250Па. Погрешность измерителей не превышала 0,5%. На рис.5 представлен пример изменения мгновенного значения давления в заданной точке с интервалом времени 0,5 секунды и построенная по этим данным ширина доверительного интервала. Точность перемещения координатника составляла: ; . Для измерения угла потока на входе и выходе диффузорного канала был изготовлен цилиндрический зонд с двумя приемными отверстиями, расположенными под углом 72. Измерение угла потока осуществлялось выравниванием измеряемого давления при повороте зонда с точностью .

3. Описание результатов физического эксперимента и их предварительный анализ

Программа испытаний включала следующие этапы:

- исследование течения на выходе из подводящего канала установки при различных углах закрутки потока, с целью формирования знаний о поле параметров на входе в МПК;

- исследование течения в переходном канале с фиксированным радиусом скругления переходов от цилиндра к конусу на входе и выходе.

В таблице 1 (Вариант А) представлены геометрические характеристики исследуемого переходного канала. Для данного варианта геометрии канала был проведен ряд экспериментов с различными граничными условиями на входе:

- варьировался угол закрутки потока на входе в канал от 0° до 20°);

- менялся способ распределения закрутки потока (закрутка по радиусу увеличивалась или уменьшалась), путем замены комплекта закручивающих лопаток.

Таблица 1. Геометрические характеристики канала

Экспериментально определены величины потерь кинетической энергии в зависимости от способа распределения по радиусу закрутки и величины угла входной закрутки потока.

Рис. 5. Распределение потерь на выходе из диффузорного канала

На рис.5 представлено распределение коэффициента потерь кинетической энергии от величины входной закрутки потока для исследуемого диффузорного канала. При уменьшающейся по радиусу закрутке величиной 3…8, наблюдается уменьшение потерь кинетической энергии потока в канале вследствие повышения устойчивости течения к отрыву на периферийной образующей поверхности канала. Реализация случая увеличивающейся по радиусу закрутке дает монотонное увеличение потерь с увеличением угла закрутки. Кроме того, средняя величина потерь при уменьшающейся по радиусу закрутке примерно на 20 % меньше в сравнении с увеличивающейся по радиусу закруткой во всем диапазоне ее изменения. На рисунках 6 - 7 представлены распределения коэффициента потерь по высоте канала для разных углов входной закрутки.

Рис. 6. Распределение потерь по относительной высоте канала. Закрутка по радиусу уменьшается

Рис.7. Распределение потерь по относительной высоте канала. Закрутка по радиусу увеличивается

В случае уменьшающейся по радиусу входной закрутки относительный вклад в общие потери втулочных и периферийных сечений зависит от величины средней по высоте закрутки, чем и объясняется существование минимальных потерь при закрутке 3°…8°. При увеличивающейся по радиусу входной закрутке определяющими с точки зрения потерь являются втулочные сечения. Этим обусловлен постоянный рост потерь при увеличении входной закрутки данного типа.

На рисунках 8 - 9 представлена раскручивающая способность диффузорного канала в зависимости от уровня входной закрутки потока. Под раскручивающей способностью диффузорного канала понимается приближение выходного потока к осевому направлению, в основном проявляется в периферийной области. Причем она увеличивается с увеличением входной закрутки. Рост раскручивающей способности прекращается при входной закрутке в 15 градусов в случае уменьшающейся по радиусу входной закрутки и при 10 градусах в случае увеличивающейся по радиусу входной закрутке, т.е. при разных видах входных закрутках, по-разному работают периферийные части канала. А различия по втулке не так значительны.

Рис. 8. Раскручивающая способность диффузорного канала при уменьшающейся по радиусу входной закрутке

Рис. 9. Раскручивающая способность диффузорного канала при увеличивающейся по радиусу входной закрутке

4. Описание методики трехмерного моделирования течения газа, результаты настройки и расчета характеристик модельного диффузорного канала

Моделирование пространственного течения воздуха производилось на основе уравнений Навье-Стокса осредненных по Рейнольдсу. На рис.10. представлены результаты сопоставления результатов численного и экспериментального исследования с целью верификации расчета:

1) распределение относительного статического давления на периферийной образующей диффузорного канала для увеличивающейся по радиусу входной закрутке (рис.10. а);

2) распределение углов входа потока по относительной высоте канала при увеличивающейся по радиусу входной закрутке(рис.10. б);

3) распределение углов выхода потока по относительной высоте канала при увеличивающейся по радиусу входной закрутке (рис.10. в).

Рис. 10. Сопоставление результатов численного и экспериментального исследования

Отмечена удовлетворительная сходимость результатов эксперимента и расчета (рис. 10). Данный факт позволяет сделать вывод о правильности настройки расчетной модели и адекватности предсказания кинематических характеристик исследуемого канала. Но необходимо отметить, что расчет потерь дал существенно заниженные значения, что, по всей видимости, объясняется особенностями перехода от расчета пристеночного слоя к расчету основного потока.

Рис. 11 показывает, что сопряжение цилиндрических участков МПК с коническими следует выполнять с различной кривизной. При этом на входе в канал, где пограничный слой еще достаточно тонкий необходимо сопряжение малым радиусом r (см. рис.12), а на выходе из канала, где имеет место развитый пограничный слой необходимо сопряжение большим радиусом R.

Относительные потери кинетической энергии высчитывались по формуле:

;(2)

где - потери при осевом входе без закрутки.

На данных графиках (рис. 11) видно, что наибольшие относительные потери достигаются в варианте A (рис. 11 а) при постоянной закрутке для всего диапазона изменения угла потока на входе. Для варианта В при уменьшающейся по радиусу входной закрутке (рис. 11 в) для всего диапазона изменения угла потока на входе относительные потери кинетической энергии получились минимальными.

С помощью программного комплекса CFX-TASCflow был проведен аэродинамический анализ четырех конструктивных вариантов переходных каналов. Так же был проведен анализ влияния закрутки потока в входной части на потери в переходном канале. Переходные каналы отличались радиусами переходов на входе и выходе. В таблице 1 представлены геометрические характеристики вариантов моделей переходного канала.

Любой способ распределения закрутки по радиусу можно представить в виде Сu r = const, где равно 0, -1, 1 (рис.11 а,б,в).

В результате анализа расчетных данных была установлена зависимость соотношения входных и выходных радиусов сопряжения (рис.12) от распределения по радиусу входной закрутки и геометрических параметров канала, обеспечивающая минимальные потери. При любом распределении закрутки по радиусу.

(3)

Рис. 11. Относительные потери кинетической энергии в переходных каналах: а) при постоянной закрутке, б) при Cu/r = const, в) при Cu*r = const

5. Анализ результатов физического и численного эксперимента, который проводился с точки зрения выявления возможности проектирования диффузорного переходного канала с минимальными потерями при условии наличия входной закрутки потока

Переменная по радиусу входная закрутка потока приводит к изменению статического давления по радиусу канала, которое можно учесть величиной относительного градиента давления (рис. 13):

Рис. 12. Схема канала

; ; ;(4)

где - относительный градиент давления; - радиальный градиент давления; - продольный градиент давления; - атмосферное давление на выходе; - статическое давление на входе в канал; - радиальный градиент давления на входе в диффузор на i-ой высоте от втулки; - плотность воздуха на входе в канал; R - радиус на котором берется ; r - шаг на котором берется .

Рис. 13. Зависимость потерь от интегрального параметра закрутки Ф*

Также переменная по радиусу входная закрутка приводит к изменению соотношения окружной и осевой составляющих потока импульса, которые учитываются параметром закрутки Ф*. Данный параметр был использован в работах Пиралишвили Ш.А., Щукина В.К., Халатова А.А. Интегральный параметр закрутки Ф*, представляет сбой отношение окружного момента импульса к осевому импульсу в произвольном сечении в масштабе линейного размера канала R. Интегральный параметр Ф* не однозначно характеризует особенности локальной структуры закрученного потока. Однако Ф* однозначно и объективно характеризует его интегральные свойства, он универсален и принят в качестве критерия подобия, отражающего влияние закрутки на тепло - массобмен и трение.

Интегральный параметр закрутки определяется по формуле:

; ; ; (5)

где M - окружная составляющая потока момента импульса, Кх - осевой поток импульса, R - радиус канала, r - текущий радиус канала, с - плотность жидкости, w - окружная составляющая скорости, u - осевая составляющая скорости.

При построении зависимости потерь по любому из этих параметров (рис. 13-14), явно видна зависимость от вида распределения входной закрутки по радиусу.

Рис. 14. Зависимость потерь от относительного радиального градиента статического давления

Учитывая, то обстоятельство, что определяющее влияние на потери в канале оказывают пристеночные области течения, был предложен относительный параметр пристеночной закрутки потока Фст, который определяется по следующей формуле:

;(6)

где Ф* - интегральный параметр закрутки; Фвт и Фпер - это интегральные параметры закрутки, рассчитанные на высоте 10% от втулочного сечения и 10% от периферийного сечения. Критерий рассчитывается из условия попадания ширины участка интегрирования, на котором рассчитываются и , в пределы физической толщины пограничного слоя в выходном сечении переходного канала.

Рис. 15. Зависимость потерь кинетической энергии потока в канале от интегрального параметра закрутки потока

Обработка экспериментальных данных подтвердила обоснованность сформулированных утверждений и целесообразность использования критерия для определения характера влияния входной зарутки на аэродинамическую эффективность переходного канала (рис. 15).

Заключение

1. Установлено, что характер изменения потерь энергии от величины входной закрутки потока в кольцевом диффузорном канале, зависит от ее распределения по радиусу. При уменьшающейся по радиусу входной закрутке имеют место минимальные потери, в то время как при увеличивающейся по радиусу входной закрутке потока потери энергии монотонно растут.

2. Выявлено, что наличие минимальных потерь, при уменьшающейся по радиусу входной закрутке потока, вызвано различным (разнонаправленным) изменением потерь во втулочной и периферийной областях канала. Рост потерь, при увеличивающейся по радиусу входной закрутке потока, объясняется определяющим влиянием втулочных сечений канала. В случае уменьшающейся по радиусу входной закрутки относительный вклад в общие потери втулочных и периферийных сечений зависит от величины средней по высоте закрутки, чем и объясняется существование минимальных потерь при закрутке 3°…8°.

3. При геометрической диффузорности межтурбинных переходных каналов равной 1.6 около 70% изменения величины закрутки потока в канале приходится на его периферийную область, а около 30% на втулочную область.

4. Предложен относительный интегральный параметр пристеночной входной закрутки потока, позволивший выявить зависимость потерь энергии в канале от входной закрутки потока, при любом характере ее распределения по радиусу.

5. Выявлено соотношение входного и выходного радиусов сопряжения цилиндрических и конических участков образующих межтурбинных переходных каналов, обеспечивающее минимальные потери энергии в канале при любом распределении по радиусу входной закрутки потока.

Литература

1. Гладков, Ю.И. Анализ численного исследования по определению потерь в кольцевом диффузорном канале при наличии входной закрутки [Текст] / Ю.И. Гладков, А.Е. Ремизов // Вестник машиностроения, 2008 г. - С.50 - 52.

2. Гладков, Ю.И. Обзор средств измерения давления газового потока при экспериментальных исследованиях ГТД и его узлов [Текст] / М.А. Данилюк, Ю.И. Гладков, А.Е. Ремизов // Материалы конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. Авиационная и ракетно-космическая техника. 2008 г. -С.24.

3. Гладков, Ю.И. Стенд для гидродинамических испытаний элементов узлов.

4. Гладков, Ю.И. Течение закрученного потока в кольцевом диффузорном канале.

5. Гладков, Ю.И. Гидравлический стенд для проведения исследования диффузорных переходных каналов. [Текст] / Ю.И. Гладков, А.Е. Ремизов // Материалы конференции. Международная научно-техническая конференция 21-23 июня 2006 г.Самара. - С.36 - 38

6. Гладков, Ю.И. Физико-математическая модель движения воздуха в вихревом прямоточном термотрансформаторе и ее практическое применение. [Текст] / Ю.И. Гладков // «Вестник Рыбинской государственной авиационной технологической академии имени П.А. Соловьева: Сборник научных трудов», №1 - 2 (5 - 6), 2004 г. - С.55 - 60.

7. Гладков, Ю.И. Оценка проникающей способности турбулентных молей на основе описания движения дискретных жидких частиц в закрученном энергоизолированном сдвиговом течении сжимаемого газа в вихревом термотрансформаторе. [Текст] / Ю.И. Гладков // Теплофизика процессов горения и охрана окружающей среды. Материалы V и VI Всероссийской научно-технической конференции. - С.42.

Размещено на Allbest.ru