Газодинамічний вплив на течію у вентиляторі двоконтурного газотурбінного двигуна

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ГАЗОДИНАМІЧНИЙ ВПЛИВ НА ТЕЧІЮ У ВЕНТИЛЯТОРІ ДВОКОНТУРНОГО ГАЗОТУРБІННОГО ДВИГУНА

Спеціальність 05.05.03 - двигуни та енергетичні установки

ДОРОШЕНКО КАТЕРИНА ВІКТОРІВНА

Київ - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному авіаційному університеті

Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Терещенко Юрій Матвійович професор кафедри авіаційних двигунів Національного авіаційного університету.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Мітрахович Михайло Михайлович, директор - помічник Головного конструктора представництва ДП «Івченко-Прогрес» у м. Києві;

доктор технічних наук, старший науковий співробітник, Дихановський Віктор Миколайович, професор Національного університету оборони України.

Захист дисертації відбудеться 4 липня 2011р. о 13⁰⁰ годині в аудиторії 1-131 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.062.05 при Національному авіаційному університеті за адресою: 03680, м. Київ, проспект Космонавта Комарова, 1.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного авіаційного університету за адресою: 03680, м. Київ, проспект Космонавта Комарова, 1.

Автореферат розісланий 2 червня 2011р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д26.062.05 кандидат технічних наук, доцент Є.О. Шквар

АНОТАЦІЯ

Дорошенко Катерина Вікторівна. Газодинамічний вплив на течію у вентиляторі двоконтурного газотурбінного двигуна. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.03 - Двигуни та енергетичні установки. - Національний авіаційний університет Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України, 2011.

Дисертація присвячена покращенню паливної економічності ТРДД за рахунок зменшення гідравлічних втрат і втрат енергії на акустичне випромінювання шляхом газодинамічного впливу на течію у вентиляторі ТРДД.

Конкурентноспроможний авіаційний двигун повинен мати високу ефективність, паливну економічність і низький рівень шуму. Одним з факторів, який впливає на ефективність, паливну економічність і генерацію акустичного випромінення являється колова нерівномірність потоку за лопатковими вінцями вентилятора, що обумовлена утворенням аеродинамічних слідів за елементами в проточній частині двигуна. Одним із ефективних методів управління аеродинамічними слідами є газодинамічний вплив на течію у вентиляторі. Акустичне випромінювання характеризується втратами енергії, які складають 0,1-0,3% від потужності вентилятора, але до цього часу вони не враховувались в енергетичному балансі ТРД.

Удосконалено методику визначення параметрів вентилятора ТРДД на підставі урахування в енергетичному балансі втрат енергії на акустичне випромінювання. Працездатність запропонованої методики оцінювалась на підставі вирішення тестової задачі, з подальшим порівнянням результатів розрахунків з даними експериментальних досліджень, які показали наявність задовільного узгодження.

На підставі результатів чисельного моделювання просторового обтікання вентилятора отримані залежності параметрів течії у вентиляторі ТРДД від інтенсивності газодинамічного управління аеродинамічними слідами.

Розроблено рекомендації щодо визначення впливу управління аеродинамічними слідами за елементами статора вентилятора на паливну економічність ТРДД.

Застосування газодинамічного впливу на параметри течії у вентиляторі може покращити паливну економічність ТРДД. Раціональний газодинамічний вплив на течію у вентиляторі дає можливість забезпечити економію пального на 0,605%.

Ключові слова: газодинамічний вплив на течію, паливна економічність, енергетичний баланс ТРДД, акустичне випромінювання, обчислювальний експеримент.

АННОТАЦИЯ

Дорошенко Екатерина Викторовна. Газодинамическое воздействие на течение в вентиляторе двухконтурного газотурбинного двигателя. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.03 - Двигатели и энергетические установки. - Национальный авиационный университет Министерства образования и науки, молодежи и спорта Украины, 2011.

Диссертация посвящена улучшению топливной экономичности ТРДД за счет уменьшения гидравлических потерь и потерь энергии на акустическое излучение путем газодинамического воздействия на течение в вентиляторе ТРДД.

Конкурентоспособный авиационный двигатель должен иметь высокую эффективность, топливную экономичность и низкий уровень шума. Одним из факторов, который влияет на эффективность, топливную экономичность и генерацию акустического излучения является окружная неравномерность потока за лопаточными венцами вентилятора, обусловленная образованием аэродинамических следов за элементами в проточной части двигателя. Одним из эффективных методов управления аэродинамическими следами является газодинамическое воздействие на течение в вентиляторе. Основное назначение газодинамического воздействия на течение заключается в снижении уровня потерь, связанных со срывом потока в лопаточных венцах, и выравниванием поля скоростей и давления на кромках элементов вентилятора. Акустическое излучение характеризуется потерями энергии, которые составляют 0,1-0,3% от мощности вентилятора, но к этому времени они не учитывались в энергетическом балансе ТРДД.

Для учета энергии акустического излучения в общем энергетическом балансе ТРДД и оценки воздействия акустического излучения на параметры вентилятора ТРДД впервые предложено акустический КПД вентилятора, применение которого позволяет более корректно определить тягу и удельный расход топлива двигателя. Усовершенствована методика определения параметров вентилятора ТРДД на основании учета в энергетическом балансе потерь энергии на акустическое излучение.

Работоспособность предложенной методики оценивалась на основании решения тестовой задачи, с последующим сравнением результатов расчетов с данными экспериментальных исследований, которые показали хорошую сходимость.

На основании результатов численного моделирования пространственного обтекания вентилятора получены зависимости параметров течения в вентиляторе ТРДД от интенсивности газодинамического управления аэродинамическими следами.

Разработаны рекомендации по определению влияния управления аэродинамическими следами за элементами статора вентилятора на топливную экономичность ТРДД.

Применение газодинамического влияния на параметры течения в вентиляторе может улучшить топливную экономичность ТРДД. Например, для одного ТРДД (со степенью двухконтурности m<5 и суммарным расходом воздуха до G_У = 250 кг/с) применение газодинамического влияния на течение в вентиляторе (при оптимальных показателях газодинамического влияния на параметры течения) может обеспечить экономию около 140т горючего, а для мощных ТРДД (со степенью двухконтурности m>5 и суммарным расходом воздуха G_У> 500 кг/с) около 560т горючего за 10000 часов налета.

Ключевые слова: газодинамическое воздействие на поток, топливная экономичность, энергетический баланс ТРДД, акустическое излучение, численный эксперимент.

SUMMARY

Doroshenko K.V. Gas dynamic effect on the flow in fan of turbofan engine. - Manuscript.

Thesis for the scientific degree of Candidate of Engineering Science on a speciality 05.05.03 - engines and power plants - National Aviation University of Ministry of Education, Science, Youth and Sports of Ukraine, Kyiv, 2011.

This thesis is dedicated to improvement of turbofan engine fuel efficiency by decreasing of on acoustic emissions by gas dynamic effect on the flow in fan of turbofan engine.

Modern aircraft engine must have high performance and fuel efficiency and low noise emissions. One of the factor that affects performance, fuel efficiency and generation of acoustic noise is circular non-uniformity of flow after fan blade row, caused by aerodynamic vortexes in engine air-gas channel. One of the effective methods of aerodynamic vortexes control is gas dynamic influence on the flow in the fan. Acoustic emissions are 0,1-0,3% of losses of the fan power, but till this time they were not accounted in energy balance of turbofan engine.

Improved methods of fan parameters determination that is based on the accounting of acoustic emissions energy losses.

Operational capability of proposed method was estimated on the basis of test problem solution with application and subsequent comparison of calculations results with the results of experimental research, which showed fine coincidence.

Flow parameters dependences upon the intensity of gas dynamic control of aerodynamic vortexes were obtained as a result of numerical modeling of spacious flow in the fan.

Recommendation were developed to determine the effect of the control of aerodynamic vortexes on the fuel efficiency of turbofan engine

Application of gas dynamic effect on the flow parameters in the fan can improve fuel efficiency of turbofan engine. Rational gas dynamic influence on the flow in the fan allows to increase fuel economy by 0,605%.

Key words: dynamic gas effect on the flow, fuel efficiency, energy balance of by-pass turbofan engine, acoustic emissions, numerical experiment.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. У числі факторів, що впливають на характеристики авіаційного газотурбінного двигуна (ГТД) вагоме місце займають параметри і характеристики вентиляторів та компресорів. Вдосконалення характеристик ГТД у цілому визначаються можливостями поліпшення характеристик його елементів, насамперед, компресорів і вентиляторів, покращення їх внутрішньої аеродинаміки, а отже, і експлуатаційних характеристик.

Однією з складних проблем, що виникають при створенні газотурбінної силової установки для сучасного літака є наявність нерівномірності потоку в вентиляторі, що негативно впливає на характеристики двигуна в цілому, зокрема на генерування акустичного випромінювання, що створюється авіаційною силовою установкою. Установлення перед вентилятором у повітропідвідному каналі та за ним різних радіальних стояків, лопаток направляючого апарату (НА) та інших вузлів призводять до появи колової нерівномірності потоку. Окрім цього може спостерігатися радіальна нерівномірність потоку, спричинена відривом примежового шару у повітропідвідних каналах або зривом потоку з гострих кромок надзвукового повітрозабірника.

Усі існуючі способи ліквідації або ослаблення негативного впливу періодичної колової нерівномірності потоку можна розділити на два основні типи.

До першого типу відносяться способи, пов'язані з ослабленням періодичної колової нерівномірності. Цього можна досягти або використанням ступенів, менш чутливих до наявності періодичної колової нерівномірності потоку перед ними, або, наприклад, застосуванням першого ступеня, що володіє властивостями вирівнювання потоку за ним. При повному вирівнюванні потоку дія періодичної колової нерівномірності потоку обмежуватиметься тільки першим ступенем, а всі наступні працюватимуть в звичайних умовах.

До другого типу відносяться способи, пов'язані з ліквідацією або значним зменшенням первинної періодичної колової нерівномірності потоку шляхом використання різного роду проміжних пристроїв між перетином каналу, в якому виникає періодична колова нерівномірність потоку, і вхідним перетином лопаткової машини. Такого роду пристроями можуть служити, наприклад, або конфузорні ділянки, або різного роду вирівнюючі сітки, або, нарешті, вертушка - лопатковий вінець, який обертається, з потужністю близькою до нуля.

Перелічені вище способи лише характеризують основні напрями покращення експлуатаційних характеристик двигуна. Маючи суттєві переваги і не менш вагомі недоліки, всі ці способи ґрунтуються на застосуванні різних механічних пристроїв, що забезпечують покращення характеристик компресора і підвищення експлуатаційної надійності двигуна.

З 1970 року в ВВІА ім. проф. М.Є. Жуковського та Національному авіаційному університеті під керівництвом проф. Ю.М. Терещенка виконувалися дослідження в напрямку аеродинамічного удосконалення компресорів газотурбінних двигунів шляхом газодинамічного управління течією в лопаткових вінцях.

Газодинамічне управління течією здійснюється методом вдування додаткової маси повітря в примежовий шар на поверхні елементів статора осьового компресора та вхідного направляючого апарату (ВНА) або відсмоктуванням примежового шару, внаслідок чого зменшується інтенсивність аеродинамічного сліду та зменшується колова періодична нерівномірність потоку в проточній частині компресора.

Необхідно відзначити також, що колова нерівномірність потоку є одним із важливих факторів, що впливають на генерування акустичного випромінювання вентиляторів та компресорів ГТД. Тому представляє великий інтерес дослідження можливості використання методу газодинамічного зменшення інтенсивності періодичної колової нерівномірності потоку за допомогою активного управління примежовим шаром на профілях решіток ВНА і НА, з метою зменшення періодичної колової нерівномірності потоку та покращення аеродинамічних та акустичних характеристик вентиляторів турбореактивних двоконтурних двигунів (ТРДД).

Акустичне випромінювання вентилятора характеризується втратами енергії, які складають 0,1-0,3% від його потужності, але до цього часу вони не враховувались в енергетичному балансі ТРДД. Тому одна з задач в цьому напрямку полягає в удосконаленні методики розрахунку вентилятора ГТД, яка враховує втрати енергії на акустичне випромінювання.

Отже, проведення подібного дослідження визначається актуальністю, оскільки сприяє підвищенню економічності та ефективності ТРДД, а також зменшенню акустичного випромінювання вентилятора.

Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконана робота є ініціативною і одночасно складовою частиною досліджень, які проводяться в Національному авіаційному університеті і спрямовані на дослідження нових методів аеродинамічного вдосконалення компресорів авіаційних ГТД. Робота лежить в руслі Державної програми розвитку авіаційного транспорту України, розробленої згідно Указу Президента України від 18 жовтня 2000 року №1143/2000 “Про рішення Ради національної безпеки і оборони України” від 27 вересня 2000 року “Про стан авіаційного транспорту та авіаційної промисловості”.

Робота виконувалась в рамках наступних науково-дослідних робіт:

- №703-Х10 «Дослідження методів впливу на течію в лопаткових вінцях компресорів ГТД для забезпечення удосконалення їх параметрів і характеристик»;

- №594-ДБ09 «Нові методи підвищення паливної економічності та газодинамічної стійкості газотурбінних двигунів на основі аеродинамічного удосконалення компресорів»;

- 733-ДБ11 «Вдосконалення газодинамічної стійкості багаторежимних газотурбінних двигунів».

Метою роботи є покращення паливної економічності ТРДД за рахунок зменшення гідравлічних втрат і втрат енергії на акустичне випромінювання шляхом газодинамічного впливу на течію у вентиляторі ТРДД.

Задачі:

1. Удосконалення методики розрахунку параметрів вентилятора ТРДД шляхом урахування втрат енергії на акустичне випромінювання вентилятора в енергетичному балансі двигуна.

2. Проведення розрахункового дослідження течії в лопатковому вінці вентилятора ТРДД при його обтіканні нестаціонарним в'язким потоком з урахуванням газодинамічного управління аеродинамічними слідами.

3. Розробка рекомендацій щодо визначення впливу управління аеродинамічними слідами за елементами статора вентилятора на паливну економічність ТРДД .

Об'єктом досліджень є вентилятор ТРДД.

Предметом досліджень є течія потоку в'язкого газу в вентиляторі.

Методи досліджень. У процесі дисертаційних досліджень використовувались розрахункові методи теорії газотурбінних двигунів, теорії газової динаміки, методи математичного моделювання та метод контрольного об'єму для розв'язання задач газодинаміки потоку. Достовірність отриманих результатів забезпечується використанням апробованих розрахункових методів та підтверджується узгодженням результатів розрахунків з даними експериментальних досліджень вентилятора ТРДД.

Наукова новизна отриманих результатів визначається наступним.

1. Удосконалено методику розрахунку параметрів вентилятора ТРДД шляхом урахування втрат енергії на акустичне випромінювання вентилятора в енергетичному балансі двигуна.

2. Вперше на підставі результатів чисельного моделювання просторового обтікання вентилятора отримані залежності параметрів течії у вентиляторі ТРДД від інтенсивності газодинамічного управління аеродинамічними слідами.

3. Розроблено рекомендації щодо визначення впливу управління аеродинамічними слідами за елементами статора вентилятора на паливну економічність ТРДД.

Практична значимість роботи. Удосконалена методика розрахунку параметрів ТРДД з урахуванням втрат енергії акустичного випромінювання вентилятора може використовуватися при проектуванні газотурбінних двигунів.

Отримані рекомендації щодо визначення управління аеродинамічними слідами за елементами статора вентилятора можуть бути використані в науково-дослідних установах, а також в КБ і НДІ при розробці заходів, спрямованих на підвищення тягових та економічних характеристик, а також зниження акустичного випромінювання вентиляторів авіаційних газотурбінних двигунів.

Особистий внесок здобувача визначається наступними положеннями:

1. Удосконалено методику розрахунку параметрів вентилятора ТРДД на підставі урахування втрат енергії на акустичне випромінювання вентилятора в енергетичному балансі двигуна.

2. Отримано результати розрахункового дослідження течії в лопатковому вінці вентилятора ТРДД при його обтіканні нестаціонарним в'язким потоком з урахуванням газодинамічного управління аеродинамічними слідами.

3. Розроблено рекомендації щодо визначення впливу управління аеродинамічними слідами за елементами статора вентилятора на паливну економічність ТРДД.

Апробація результатів дисертації. Отримані результати дисертаційного дослідження доповідались і отримали позитивну оцінку на: засіданнях кафедри авіаційних двигунів Національного авіаційного університету (м. Київ. 2008 - 2011 рр.); IХ - ХІ Міжнародних наукових конференціях студентів та молодих вчених “Політ - 2009-2011” (м. Київ); IХ Міжнародна науково-технічна конференція “Авіа - 2009” (м. Київ);

Публікації. Результати дисертаційних досліджень опубліковані в 3 статтях у виданнях, що входять до переліку ВАК України, 4 тезах, отримано патент України на корисну модель «Спосіб зменшення шуму вентилятора».

Структура і об'єм роботи. Дисертація складається зі вступу, трьох розділів і висновків. Повний об'єм дисертації 140 стор., 51 рис., 1 таблиця. Список використаної літератури складається з 134 джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету, задачі, об'єкт і предмет дослідження, визначено наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів. Приведено відомості про особистий внесок автора, апробацію, опубліковані результати досліджень, структуру та обсяг дисертаційної роботи.

У першому розділі проаналізовано сучасний стан проблеми покращення паливної економічності. Проведено огляд літературних джерел, присвячених питанням дослідження і розрахунку по вдосконаленню внутрішньої аеродинаміки вентиляторів та компресорів ГТД, поставлені задачі досліджень.

Удосконалення характеристик ГТД в цілому визначаються можливостями поліпшення характеристик його елементів і, насамперед, компресорів і вентиляторів, поліпшення їх внутрішньої аеродинаміки. До 80-х років паливну економічність покращували завдяки збільшенню ступеня підвищення тиску у компресорі та температури газу перед турбіною. На даний час можливість підвищення основних параметрів робочого процесу ТРДД практично вичерпано. Одним із ефективних способів підвищення паливної економічності є поліпшення внутрішньої аеродинаміки ГТД, тобто зменшення гідравлічних втрат.

Одним із важливих чинників, що негативно впливають на ефективність, експлуатаційну надійність і стійкість ГТД в широкому діапазоні режимів його роботи, є наявність нерівномірності і пульсацій в потоці повітря на вході в компресор і вентилятор.

Значний вклад до вивчення природи нерівномірності потоку в лопаткових машинах та впливу її на параметри ГТД внесли А.С. Гіневський, Д.М. Горєлов, В.М. Єршов, П.П. Казанчан, В.М. Котовський, А.Г. Кукінов, В.А. Кулагіна, В.Б. Курзін, Л.Є. Ольштейн, Г.С. Самойлович, В.Е. Сарен, Г.Ю. Степанов, Р.М. Федоров, Р.А. Шипов, В.І. Гнєсін, В.В. Бабенко, А.В. Бойко, Г.А. Соколовський та ін.

Причинами появи різних видів нерівномірності потоку і її пульсацій на вході в компресор, є наявність збурень, що вносяться до потоку криволінійними каналами повітрозабірників, наростання товщини примежового шару на стінках і його відрив, складна система стрибків ущільнення (на надзвукових швидкостях), наявність в повітропідвідному каналі перед компресором різних поганообтічних тіл, стояків, лопаток вхідного направляючого апарату і направляючих апаратів.

Різні форми нерівномірності поля швидкостей - с₁ і повних тисків - р₁* на вході в компресор (вентилятор) умовно підрозділяють на дві групи:

- радіальну нерівномірність потоку, при якій потік зберігає осьову симетрію, але повний напір і швидкість повітря істотно змінюються вздовж радіусу. Ця нерівномірність зазвичай посилюється при польоті з великими кутами атаки і ковзання, особливо на літаках з надзвуковими повітрозабірниками;

- колову нерівномірність потоку, при якій параметри потоку не змінюються вздовж радіусу (поза примежовим шаром), але порушується осьова симетрія потоку.

Радіальна нерівномірність потоку на вході в багатоступінчатий компресор (вентилятор) суттєво впливає тільки на роботу перших його ступенів, а до третього або четвертого ступеня вона вже майже повністю згладжується.

Колова нерівномірність потоку на вході в компресор викликається наявністю у вхідному каналі поганообтічних тіл, різних стійок, лопаток ВНА і НА. Механізм дії періодичної колової нерівномірності потоку на роботу ступеня і компресора в цілому складніший, оскільки в цих випадках порушується осьова симетрія потоку, а обтікання лопаток робочих коліс набуває істотно нестаціонарного характеру через періодичне попадання їх в зони підвищених і знижених значень с_1а і р₁*. Наявність таких зон створює суттєвий вплив на параметри компресора: р_k*, з_к*, ДK_у.

Окрім цього, перед компресором за елементами статора (різні стійки, лопатки ВНА) виникають аеродинамічні сліди, фізична основа виникнення яких полягає в тому, що внаслідок в'язкості повітря за елементами статора утворюються зони знижених значень с_1а і р₁*.

З іншого боку нерівномірність потоку є однією із причин генерування акустичного випромінювання.

Акустичне поле газотурбінного двигуна є суперпозицією акустичних полів окремих джерел шуму, таких як лопаткові машини (вентилятор, компресор, турбіна), камера згоряння, реактивний струмінь. При цьому сумарна потужність акустичного випромінювання двигуна є енергетичною сумою потужностей випромінювання окремих джерел з урахуванням встановлених на двигуні систем шумоглушіння для кожного джерела. У сучасних ТРДД найбільш вагомий внесок в загальне акустичне поле вносить шум вентилятора.

Слід зазначити, що акустичне випромінювання газотурбінного двигуна характеризується втратами енергії, що негативно впливають на тягово-економічні характеристики силової установки. Тому підвищення ефективності та економічності ГТД вимагає урахування в енергетичному балансі двигуна втрат енергії на акустичне випромінювання.

У другому розділі викладено удосконалену методику розрахунку параметрів вентилятора ТРДД з урахуванням в енергетичному балансі втрат енергії на акустичне випромінювання.

Акустичне випромінювання вентиляторів і компресорів обумовлене рядом джерел аеродинамічного походження. До їх числа насамперед слід віднести перетин неоднорідностей потоку лопатками робочих коліс, взаємодію неоднорідних потоків з лопатками статора, а також схід з лопаток вихрових слідів. Крім того, обертання лопаток навіть в однорідному потоці викликає появу пульсацій швидкості перед і за робочим колесом, що приводить до виникнення так званого шуму обертання, який посилюється при надзвукових відносних швидкостях на лопатках, коли перед ними утворюється система ударних хвиль.

При взаємодії системи турбулентних вихрових слідів, що утворюються за лопатками РК, з лопатками направляючого апарату, або слідів за лопатками НА з решітками профілів РК, відбувається генерація акустичного випромінювання, спектр якого складається з дискретних і широкосмугових складових.

Тобто, однією із причин генерування акустичного випромінювання являється колова нерівномірність, викликана аеродинамічними слідами від ВНА, РК, НА. Тому зменшення інтенсивності слідів призведе до зменшення акустичного випромінювання.

Для урахування втрат на акустичне випромінювання пропонується ввести коефіцієнт втрат енергії акустичного випромінювання , який показує долю механічної енергії вентилятора, що переходить в акустичне випромінювання.

На рис.1 представлена діаграма енергетичного балансу ТРДД з урахуванням втрат енергії, що пов'язана з акустичним випромінюванням основних джерел шуму двигунів з великим ступенем двоконтурності.

Рис.1 Діаграма енергетичного балансу ТРДД з урахуванням втрат енергії на акустичне випромінювання

На рис. 1: - втрати енергії, пов'язані з неповним згорянням палива; - втрати теплової енергії з газового потоку, що виходить із реактивного сопла двигуна; , - втрати кінетичної енергії газового потоку; , - втрати, пов'язані з акустичним випромінюванням енергії основними джерелами шуму ТРДД.

Алгоритм методики для розрахунку параметрів вентилятора ТРДД з урахуванням втрат енергії на акустичне випромінювання представлено на рис.2. Складовою частиною методики є розв'язок прямої задачі обтікання лопаткових вінців в'язким, стисливим газом.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2 Алгоритм розрахунку параметрів вентилятора ТРДД

Визначення ККД вентилятора з урахуванням втрат енергії на акустичне випромінювання здійснюється по наступній формулі:

,

де - профільні втрати; - втрати в радіальному зазорі; - кінцеві втрати; - вторинні втрати; - акустичний коефіцієнт корисної дії вентилятора; - витрата повітря в другому контурі двигуна; - робота стиснення у вентиляторі.

В роботі розрахунок параметрів вентилятора ТРДД здійснюється шляхом проведення обчислювального експерименту. На рис.3 зображено алгоритм розрахунку параметрів вентилятора ТРДД при застосуванні обчислювального експерименту.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3 Алгоритм розрахунку параметрів вентилятора ТРДД при застосуванні чисельного експерименту

Для визначення параметрів течії стискуваного газу використовується система нестаціонарних осереднених рівнянь Нав'є - Стокса за Фавром.

де - компоненти вектора швидкості; - повна ентальпія одиниці маси середовища, , - динамічна в'язкість; - тиск, - густина. Для густини і тиску застосовується осереднення по Рейнольдсу, а для інших параметрів течії вводяться осереднені значення за Фавром. Миттєві значення параметрів, окрім густини і тиску, представляються як доданки осереднених величин за Фавром (з хвилястою рискою) і пульсаційних (з двома штрихами): , , , ,, .

, , ,

- осереднені компоненти швидкості і теплові змінні. Таким чином

,

де - кінетична енергія турбулентних пульсацій;

- тепловий потік;

,

де - турбулентна в'язкість.

Для замикання системи використовуються наближення ідеального (в термодинамічному розумінні) газу, для якого рівняння стану, що пов'язують тиск і температуру з густиною і внутрішньою енергією, мають вигляд:

, .

Для замикання осереднених за Фавром рівнянь Нав'є - Стокса вибрано SST модель турбулентної в'язкості, розроблену Ментером, яка добре зарекомендували себе при розрахунках течії в компресорних решітках.

Для вирішення поставленої задачі використовується метод контрольного об'єму.

Акустична потужність розраховується із застосуванням рівняння Фокс Вільямса-Хоукінгса:

де - акустичний тиск; - швидкість звуку в стаціонарному навколишньому середовищі; - функція Хевісайда; - рухома поверхня, де розподілені акустичні джерела; - просторова координата; - час; - символ Кронекера; - тензор Лайтхілла; , - компоненти, що характеризують акустичні джерела

При проведенні розрахунків на межах розрахункової області ставилась умова періодичності. Тверді стінки (лопатки РК, НА і стінки каналів) приймалися адіабатичними, тобто похідна від температури по нормалі до поверхні межі прирівнювалась до нуля. На твердих стінках використовувалась умова прилипання, тобто швидкість на межі приймалась рівною швидкості стінки (нульової для нерухомих меж і рівною швидкості обертання для рухомих меж). На вході фіксувалась повна температура і повний тиск, на виході задаваласяся витрата повітря. Розрахунки здійснювались на нерегулярній сітці, що містила 1-2,5млн. комірок.

Працездатність запропонованої методики оцінювалась на підставі вирішення тестової задачі, з подальшим порівнянням результатів розрахунків з даними експериментальних досліджень, які показали наявність задовільного узгодження.

Для урахування енергії акустичного випромінювання в загальному енергетичному балансі ТРДД та оцінки впливу акустичного випромінювання на параметри вентилятора ТРДД, уперше запропоновано акустичний ККД вентилятора, застосування якого дозволяє більш коректно визначити тягу та питому витрату палива двигуна.

Розрахунки енергетичного балансу ТРДД із застосуванням удосконаленої методики показали, що акустичне випромінювання вентилятора залежить від режиму роботи та параметрів останнього і складає від 10% до 20% від сумарних втрат.

Третій розділ роботи присвячено розрахунковому дослідженню газодинамічного впливу на колову нерівномірність потоку.

Дані досліджень свідчать про те, що методи газодинамічного управління примежовим шаром, які використовуються в аеродинаміці, істотно впливають на інтенсивність аеродинамічних слідів за вихідними кромками тіл, що обтікаються в'язким потоком. До таких методів відноситься вдув газу в пристінний примежовий шар на профілі з імпульсом, що визначається інтегральними характеристиками примежового шару.

Розрахунок газодинамічного управління течією полягає у визначенні параметрів управляючого потоку для ефективної дії на характер течії в аеродинамічних слідах.

Визначенням параметрів системи керування аеродинамічними слідами здійснювалось на підставі результатів досліджень професорів А.С. Гінєвського, Г.С. Самойловича, Ю.М. Терещенко, В.Т. Мовчана, виконаних в ЦАГІ, ЦІАМ, ВВІА ім. М.Є. Жуковського, КІІЦА та інших.

Рівень нерівномірності потоку характеризується коефіцієнтом б, що визначається відношенням: , де: с₀ - абсолютна швидкість ядра основного потоку; с_Кmin - абсолютна швидкість потоку в ядрі сліду.

Для оцінки інтенсивності газодинамічного управління структурою слідів за профілями ВНА в дослідженні застосовувався безрозмірний коефіцієнт імпульсу вдуву:

де: г₁ - кут між фронтом решітки і вектором абсолютної швидкості с₀; - відносна висота щілини; b/t - густина решітки на середньому радіусі; с_в, с_в - густина і швидкість повітря, що вдувається з щілин; K - коефіцієнт, який враховує непаралельність середньої швидкості в решітці і швидкості на виході із щілини; с₀, с₀ - густина і швидкість основного потоку повітря.Завдання дослідження полягало в оцінці впливу на періодичну колову нерівномірність потоку інтенсивності управління обтіканням профілів у вентиляторі ТРДД. Газодинамічний вплив на течію здійснюється вдувом в примежовий шар повітря по дотичній до поверхні лопатки.

На рис.4 представлено розрахункову схему течії в решітці профілів з управлінням аеродинамічними слідами шляхом вдуву додаткової маси повітря в примежовий шар через щілини на поверхні лопатки.

Рис. 4 Розрахункова схема течії в решітці профілів з управлінням аеродинамічними слідами

вентилятор газотурбінний енергія випромінювання

На рис. 5 представлено алгоритм розрахунку параметрів вентилятора ТРДД з урахуванням втрат енергії на акустичне випромінювання з газодинамічним впливом на течію.

Для розрахункового дослідження газодинамічного впливу на течію у вентиляторі було обрано за прототип елементи вентиляторів ТРДД Д-36 і Д-30. В якості робочого тіла вибрано стисливе в'язке повітря в нормальних атмосферних умовах. Для можливості коректно поставити умову періодичності розрахункова область обмежена боковими поверхнями, проведеними по середніх лініях току в сусідніх міжлопаткових каналах.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5 Алгоритм розрахунку параметрів вентилятора ТРДД з урахуванням втрат енергії на акустичне випромінювання з газодинамічним впливом на течію

Було побудовано розрахункові нерегулярні сітки з призматичним шаром однакової топології і розмірності. Газодинамічний вплив на параметри течії відбувався моделюванням вдуву повітря при значеннях коефіцієнта імпульсу вдуву C_м=0,005...0,015, що відповідало відносній витраті повітря G_в(0,03ч0,1%)G_вmax .

Для розрахункового дослідження газодинамічного впливу на течію у вентиляторі було обрано за прототип елементи вентиляторів ТРДД Д-36 і Д-30. В якості робочого тіла вибрано стисливе в'язке повітря в нормальних атмосферних умовах. Для можливості коректно поставити умову періодичності розрахункова область обмежена боковими поверхнями, проведеними по середніх лініях току в сусідніх міжлопаткових каналах.

Було побудовано розрахункові нерегулярні сітки з призматичним шаром однакової топології і розмірності. Газодинамічний вплив на параметри течії відбувався моделюванням вдуву повітря при значеннях коефіцієнта імпульсу вдуву C_м=0,005...0,015, що відповідало відносній витраті повітря G_в(0,03ч0,1%)G_вmax .

За результатами проведених розрахунків побудовано залежність рівня нерівномірності потоку від коефіцієнта імпульсу вдуву.

Результати чисельного дослідження свідчать про те, що метод газодинамічного впливу на параметри течії може служити ефективним засобом зменшення і навіть усунення повністю (у ряді випадків) колової нерівномірності потоку. Окрім цього проведені дослідження показали, що газодинамічна ефективність зменшення інтенсивності колової нерівномірності повітряного потоку змінюється залежно від витрати повітря, що вдувається, при певній швидкості основного потоку с₀. При вибраній конструкції об'єкту дослідження витрата повітря залежить від необхідного рівня зниження коефіцієнта б і може змінюватися в широких межах.

Результатом чисельного дослідження газодинамічного впливу на структуру потоку в аеродинамічних слідах є отримання залежностей рівня нерівномірності потоку за профілями решітки НА від інтенсивності управління примежовим шаром на досліджуваних профілях.

На рис. 6 показана залежність коефіцієнта нерівномірності потоку від коефіцієнта імпульсу вдуву C_м при =60%. Зі збільшенням коефіцієнта імпульсу вдуву C_м (збільшенням швидкості повітря, що вдувається, с_в) інтенсивність аеродинамічного сліду зменшується і при значенні C_м 0,0136 коефіцієнт б наближується до нуля. При подальшому збільшенні C_м > 0,0136 коефіцієнт нерівномірності потоку б знову збільшується, тобто тут dб/dC_м > 0 через появу ядра позитивних швидкостей насамперед на осі сліду, а потім і по всій ширині сліду (с_k > с₀ в ядрі основного потоку).

Рис. 6 Залежність рівня нерівномірності потоку від коефіцієнта імпульсу вдуву

Слід зазначити, що при малій інтенсивності вдуву (до C_м ? 0,005-0,008) не спостерігається зменшення інтенсивності сліду. Це, на перший погляд, парадоксальне явище пояснюється особливістю змішування повітря, що витікає з щілини з малою швидкістю, із супутнім потоком значно більшій швидкості. В даному випадку змішування повітря, що вдувається, із супутнім потоком, який володіє великою ежекційною здатністю, відбувається при інтенсивному підсосі маси повітря з щілин лопатки (внутрішньої її порожнини).

Якщо витрата повітря, що вдувається недостатня для "живлення" супутнього потоку, то безпосередньо за щілиною утворюється зона замкнутої циркуляції, з якої здійснюється "підживлення" зовнішнього потоку і куди потім повертається надлишок маси повітря. Інтерпретацією, яка доповнює цей ефект є те, що при малих енергіях (малий C_м) струмінь повітря, що вдувається не може подолати осьового позитивного градієнта тиску дифузорної в цілому течії.

При подальшому збільшенні C_м > 0,008 dб/dC_м < 0, тобто вдув стає ефективним і для =60% при C_м 0,0135-0,0136 рівень нерівномірності потоку, що оцінюється коефіцієнтом б стає майже рівним нулю.

Як показав обчислювальний експеримент газодинамічний вплив на течію у вентиляторі впливає на змінення коефіцієнта втрат енергії, обумовлених акустичним випромінюванням. Це пояснюється тим, що колова нерівномірність є однією із причин генерування акустичного випромінювання, таким чином зменшуючи інтенсивність аеродинамічних слідів за елементами статора, зменшується коефіцієнт втрат енергії на акустичне випромінювання. Залежність коефіцієнта втрат енергії на акустичне випромінювання від коефіцієнта імпульсу вдуву зображено на рис.7.

Рис. 7 Залежність коефіцієнта втрат енергії на акустичне випромінювання від коефіцієнта імпульсу вдуву

Для оцінки впливу управління течією у вентиляторі на паливну економічність ТРДД використовуються залежності ККД другого контуру та акустичного ККД від інтенсивності управління аеродинамічними слідами, які запропоновані в роботі:

, .

В таблиці представлено результати розрахункової оцінки економії палива для літаків Ан-72 (з двома двигунами типу Д-36) та Як-42 (з трьома двигунами типу Д-36).

Таблиця 1

Години нальоту	Економія палива для одного двигуна, кг	Економія палива для двох двигунів, кг	Економія палива для трьох двигунів, кг
5 год.	70,2	140,4	210,6
10 год.	140,4	280,8	421,2
100 год.	1404	2808	4212
1000 год.	14040	28080	42120
10000 год	140400	280800	421200

Використання газодинамічного впливу на течію у вентиляторі, як видно з таблиці 1, може забезпечити суттєве покращення паливної економічності літальних апаратів з ТРДД. Раціональний газодинамічний вплив на течію у вентиляторі дає можливість забезпечити економію пального на 0,605%. Економія за рахунок зменшення втрат на акустичне випромінювання складає 12,4% , за рахунок зменшення гідравлічних втрат - 87,6% від загальної економії палива.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі здійснено теоретичне обґрунтування та запропоновано нове рішення науково-прикладної задачі покращення паливної економічності ТРДД шляхом газодинамічного впливу на течію у вентиляторі.

На підставі проведеного дослідження отримано наступні основні наукові результати:

1. Удосконалено методику визначення параметрів вентилятора ТРДД на підставі урахування в енергетичному балансі втрат енергії на акустичне випромінювання. Для урахування енергії акустичного випромінювання в загальному енергетичному балансі ТРДД та оцінки впливу акустичного випромінювання на параметри вентилятора ТРДД вперше запропоновано акустичний ККД вентилятора, застосування якого дозволяє більш коректно визначити тягу та питому витрату палива двигуна.

2. На підставі результатів чисельного моделювання просторового обтікання вентилятора ТРДД отримані залежності параметрів течії від інтенсивності газодинамічного управління аеродинамічними слідами.

3. Розроблено рекомендацій щодо визначення впливу управління аеродинамічними слідами за елементами статора вентилятора на паливну економічність ТРДД.

4. Отримані результати чисельного моделювання течії при просторовому обтіканні вентилятора ТРДД з газодинамічним впливом. Використання газодинамічного впливу на параметри течії призводить до зниження втрат повного тиску в сліді, а у ряді випадків (при C_мопт=0,0135- 0,0136) і до зменшення рівня колової періодичної нерівномірності потоку, обумовленої аеродинамічними слідами, до б ? 0.

5. Застосування газодинамічного впливу на параметри течії у вентиляторі може покращити паливну економічність ТРДД. Наприклад, для одного ТРДД (зі ступенем двоконтурності m<5 та сумарною витратою повітря до G_У?250 кг/с) застосування газодинамічного впливу на течію в вентиляторі (при оптимальних показниках газодинамічного впливу на параметри течії) може забезпечить економію до 140т пального, а для потужних ТРДД (зі ступенем двоконтурності m>5 та сумарною витратою повітря G_У?500 кг/с) до 560т пального за 10000 годин нальоту.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Дорошенко К.В. Розрахунок рівня звукової потужності компресора авіаційного двигуна / Ю.М. Терещенко, К.В. Дорошенко, Л.Г. Марковська, В.Ю. Політовський // Восточно-европейский журнал передовых технологий. - Х., 2009. - №2/6 (38) - С.29 - 31. (Здобувачем проаналізовано існуючи емпіричні методи розрахунку рівня звукової потужності компресора авіаційного двигуна).

2. Дорошенко К.В. Характеристики спрямованості акустичного поля, що створює вентилятор авіаційного двигуна /К.В. Дорошенко, І.Ф. Кінащук, Л.Г. Марковська // Восточно-европейский журнал передовых технологий. - Х., 2010. - №1/7 (43) - С.49 - 52. (Здобувачем проведено дослідження характеристики спрямованості акустичного поля, що генерує вентилятор авіаційного двигуна).

3. Дорошенко Е.В. Влияние аэродинамических, конструкционных особенностей лопаточного венца на акустические характеристики вентиляторной ступени / Е.В. Дорошенко // Восточно-европейский журнал передовых технологий. - Х., 2010. - №5/5 (47) - С.48 - 50. (Здобувачем проведено дослідження впливу аеродинамічних і конструкційних особливостей лопаткового вінця на акустичні характеристики вентилятора).

4. Пат. на корисну модель №10502/1, МПК F04D 19/00, F04D 29/66. Спосіб зменшення шуму вентилятора / Терещенко Ю.М., Кінащук І.Ф., Дорошенко К.В., Марковська Л.Г. (Здобувачем проведено дослідження акустичних характеристики вентилятора).

Размещено на Allbest.ru