Совершенствование методов проектирования диффузоров газотурбинных двигателей на основании результатов исследования особенностей течения воздуха в таких каналах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Совершенствование методов проектирования диффузоров газотурбинных двигателей на основании результатов исследования особенностей течения воздуха в таких каналах

Специальность 05.07.05 - Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

На правах рукописи

Кащеев Алексей Викторович

Рыбинск - 2007

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рыбинская государственная авиационная технологическая академия имени П. А. Соловьева»

Научный руководитель засл. деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Богомолов Евгений Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Горюнов Лев Васильевич

кандидат технических наук Захаров Николай Никодимович

Ведущая организация ОАО «Силовые машины», филиал ЛМЗ г. Санкт-Петербург

Защита состоится 29 мая 2007 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.210.01 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рыбинская государственная авиационная технологическая академия имени П. А. Соловьева» по адресу: 152934, Рыбинск, ул. Пушкина, 53, ауд. 237.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Рыбинская государственная авиационная технологическая академия имени П. А. Соловьева».

Автореферат разослан «26» апреля______________2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Конюхов Б. М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность

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

Сжатые сроки проектирования ГТД приводят к необходимости быстрой оценки потерь в таких каналах в зависимости от их основных геометрических и режимных параметров на стадии термогазодинамического согласования узлов двигателя.

Структура потока в таких каналах является достаточно сложной, что затрудняет их аналитический расчет. Поэтому достоверную информацию о газодинамической эффективности межтурбинного переходного канала можно получить экспериментальным путем. Однако проведение экспериментального исследования требует значительных материальных затрат и времени. Численные методы расчета вязкого течения в таких каналах нуждаются в тестировании на сходных задачах, адаптации расчетной сетки, выборе адекватной модели турбулентности и настроек решателя и невозможны без привлечения значительных вычислительных ресурсов и времени. Применение таких масштабных исследований в итерационном процессе проектирования, когда рассматриваются сотни вариантов, нерационально. Поэтому на практике величина потерь в таких устройствах задается на основе известных экспериментальных данных по потерям в кольцевых диффузорных каналах. Однако эти данные крайне ограничены как по геометрическим, так и по режимным параметрам. К тому же большинство из них получены без траверсирования потока и оценены коэффициентом полных потерь, то есть без учета кинетической энергии потока на выходе, в то время как для межтурбинных переходников газодинамическая эффективность определяется коэффициентом внутренних потерь полного давления. Эффективность проектирования межтурбинного переходного канала может быть повышена, если оценку его потерь проводить быстрым методом, обеспечивающим приемлемую точность, необходимую для инженерных расчетов.

Цель и задачи работы

Разработать быстродействующий инженерный метода расчета потерь в кольцевых диффузорных каналах применительно к межтурбинному переходному каналу.

Направление исследований

Для достижения поставленной цели необходимо:

• выделить основные составляющие внутренних потерь в кольцевых каналах с положительным градиентом давления и определить их зависимости от геометрических и режимных параметров, присущих межтурбинным переходникам для турбулентного безотрывного потока;

• реализовать разработанный метод в виде алгоритма расчета внутренних потерь полного давления и провести его апробацию в области экспериментально исследованных кольцевых каналов;

• произвести экспериментальное исследование кольцевых каналов для уточнения основополагающих зависимостей.

Методы исследования

Для решения поставленных задач использованы теоретические методы расчета турбулентных пограничных слоев, методы численного моделирования турбулентных течений, статистического анализа, экспериментальные исследования на газодинамическом стенде.

Достоверность и обоснованность научных результатов базируется на корректном применении основных законов сохранения, подтверждается результатами сравнения полученных расчетных данных с известными экспериментальными данными. Достоверность опытных данных обеспечивается адекватным выбором методики проведения эксперимента, применением измерительных приборов, изготовленных по ГОСТу.

На защиту выносится:

1. Расчетный метод определения внутренних потерь полного давления в кольцевых каналах с положительным продольным градиентом давления.

2. Результаты численного моделирования турбулентного течения потока в кольцевых диффузорных каналах.

3. Экспериментальное исследование влияния входной окружной неравномерности на течение турбулентного потока в кольцевых каналах с увеличивающимся средним диаметром.

Научная новизна

1. Автором предложен метод оценки внутренних потерь полного давления в кольцевых безотрывных диффузорных каналах на основе степенного закона распределения скоростей в пограничном слое.

2. Показано, что определение внутренних потерь полного давления в кольцевых каналах с увеличивающимся средним диаметром без учета радиальной неравномерности некорректно.

3. Экспериментально обнаружено, что входная окружная неравномерность потока приводит к значительному увеличению внутренних потерь полного давления в кольцевых каналах с продольным положительным градиентом давления в отличие от безградиентного течения. Выявлено, что диффузорность приводит к увеличению выходной неравномерности потока.

Практическая полезность

Применение разработанного метода позволяет произвести оценку внутренних потерь полного давления в межтурбинных переходных каналах, сокращает время и повышает эффективность проектирования.

Апробация работы

Основные результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

• XXIX конференция молодых ученых и студентов, Рыбинск: РГАТА, 2005 г.;

• Всероссийская научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов “Проблемы создания перспективных авиационных двигателей”, Москва: ЦИАМ, 2005 г.;

• Всероссийская молодежная научная конференция с международным участием “VIII Королевские чтения”, Самара: СГАУ, 2005 г.;

• Международная научно-техническая конференция “Проблемы и перспективы развития двигателестроения”, Самара: СГАУ, 2006 г.;

• XI Международный конгресс двигателестроителей, Украина, Рыбачье, 2006 г.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 1 статья, 4 тезиса докладов в трудах конференций.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников. Работа изложена на 147 страницах машинописного текста, содержит 95 рисунков, 22 таблицы, 118 формул, списка использованных источников из 65 наименований. Общий объем работы 147 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются задачи исследований, отмечается научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

Глава 1 содержит обоснование необходимости применения межтурбинных переходных каналов в ГТД и статистические данные по их геометрическим параметрам. Представлен обзор научно-технической литературы по вопросам течения потока в диффузорных каналах. Проанализированы известные методы оценки потерь в кольцевых каналах с продольным положительным градиентом давления.

Из анализа рассмотренных методов (рис. 1) следует, что существует необходимость надежного “быстрого” метода оценки потерь в межтурбинных переходных каналах, учитывающего входную неравномерность потока. Использование известных экспериментальных данных затруднено из-за отсутствия данных о погрешности пересчета внутренних потерь полного давления (д) через полные потери (п).

Рис. 1. Классификация способов оценки газодинамической эффективности межтурбинных переходников

Также в изученной литературе отсутствуют опытные данные по влиянию входной окружной неравномерности потока, характерной для межтурбинных переходных каналов, на аэродинамические характеристики кольцевых диффузоров.

В главе 2 представлен теоретический анализ внутренних потерь полного давления в кольцевых диффузорных каналах с прямолинейными образующими (д). Потери представляются суммой потерь на внутреннее трение (f), на вихреобразование вследствие торможения пристеночного слоя (b), на поворот потока (?). При наличии цилиндрического участка на выходе необходимо учесть потери, вызванные диссипацией кинетической энергии от поперечной составляющей скорости ().

. (1)

Согласно статистическим данным для межтурбинных переходных каналов характерны умеренные значения как меридиональной диффузорности , так и радиальной (рис. 2). Поэтому наличием в канале поперечных скоростей можно пренебречь и течение потока считать безотрывным. Согласно теоретическим выводам Е. Н. Богомолова в диффузорном канале нарастание пограничного слоя при турбулентном течении происходит чрезвычайно быстро. Поэтому в данной работе состояние пограничного слоя считалось полностью развитым. На основании уравнения движения жидкости с учетом уравнения неразрывности для коэффициента внутренних потерь полного давления под влиянием трения в кольцевом диффузорном канале получена формула:

кольцевой диффузорный канал турбулентный



Рис. 2. Схема кольцевого диффузорного канала

, (2)

где Cf - коэффициент трения, а пределы интегрирования определятся как: и . Индексы 1 указывает на вход, индекс 2 - выход из диффузора.

Между законом сопротивления внутреннего трения и распределением скоростей в пограничном слое существует внутренняя связь. На основании универсального логарифмического закона Е. Н. Богомоловым теоретически выведена зависимость коэффициента трения от параметров степенной формы профиля скорости:

, (3)

где n - показатель степени, определяется рекуррентным соотношением от числа Рейнольдса:

; (4)

и - константы турбулентного пограничного слоя.

В кольцевых диффузорных каналах торможение потока в привтулочной области может быть существенно меньше, чем в периферийной (вследствие различной радиальной составляющей диффузорности), причем это различие тем существенней, чем больше меридиональная составляющая диффузорности. Поэтому расчет потерь в кольцевых диффузорах и определение показателя степени профиля скорости различно для втулочной и периферийной областей. Числа Рейнольдса определяются по среднеинтегральным значениям вдоль канала. Для кольцевых диффузоров с прямолинейными образующими средние значения чисел Рейнольдса в периферийной и в привтулочной областях определяются формулой:

, (5)

где индекс t - относится к периферийной области, а индекс b - к втулочной.



Рис. 3. Модель течения в пристеночной области диффузора

Рис. 4. Схема проникновения активного потока в заторможенную область

Потери, обусловленные торможением пристеночного слоя под влиянием положительного продольного градиента давления, есть потери энергии, вызванные увлечением неактивных масс основной частью потока (рис. 3). При этом заторможенные массы распределены по всей длине диффузора. В результате в диффузоре имеет место некоторый пристеночный слой смешения, что подтверждено новыми экспериментальными исследованиями ЦАГИ. Процесс образования этого слоя смешения есть процесс проникновения активного потока в заторможенную область наподобие заполнения застойной зоны за уступом при внезапном расширении потока, но высота уступа здесь определяется не геометрией канала, а толщиной слоя торможения, который создает некое жидкое препятствие, вытесняющее поток и индуцирующее неупорядоченный вихревой характер течения в последующих участках канала (рис. 4).

В условиях рассматриваемой геометрии течения (для кольцевого диффузорного канала), на основании формулы Борда-Карно, получены выражения для коэффициентов потерь на торможение пристеночного слоя для периферийного и втулочного пограничного слоя:

, (6)

верхний знак в выражении относится к первому индексу (то есть к периферийной области), а нижний ко второму (то есть к втулочной области).

Выражение для относительной толщины жидкого препятствия выведено на основании уравнения Бернулли с учетом степенного распределения скорости в пограничном слое:

, (7)

где относительные осредненные скорости и коэффициенты Кориолиса, получены для кольцевого канала соответственно:

, (8)

, (9)

где и (D - диаметр периферии, d - диаметр втулки, = h / 2 - толщина пограничного слоя).

Коэффициент потерь, учитывающий влияние поворота потока в изогнутых каналах, зависит от величины угла поворота ?, относительного радиуса закругления r / h, относительной вытянутости поперечного сечения (для кольцевого канала относительный диаметр втулки d), степени диффузорности канала q, а также от формы профиля скоростей на входе и для турбулентного течения (Re 2·105) с развитым пограничным слоем в канале с острыми кромками (r / h = 0) вычисляется по формуле:

, (10)

где поправочные коэффициенты A и C1 определяются по опытным данным Рихтера и Шубарта.

В случае когда на выходе из кольцевого диффузора с меридиональным раскрытием установлен цилиндрический участок, необходимо учитывать потери, связанные с диссипацией кинетической энергии, обусловленной поперечной составляющей скорости: , где ? - угол между линией тока и осью (средней линией) канала. С учетом степенного распределения скорости в пограничном слое и геометрических особенностей канала, интегрированием по расходу кинетической энергии, обусловленной v, получена формула для расчета потерь:

(11)

Расчетные значения внутренних потерь (д), полученных разработанным методом, удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными, полученными Джонстоном, Абрамовичем, Васильевым (рис. 5). Однако эти экспериментальные данные ограничены и не позволяют рассмотреть влияние таких факторов, как угол поворота потока ?, относительный диаметр втулки d, относительной длиныL при различных числах Re, на внутренние потери.

Рис. 5. Сравнение результатов расчета д разработанным методом с экспериментальными данными и полученными в результате 3-d моделирования

В главе 3 для оценки влияния этих факторов проведено численное 3-d моделирование вязкого турбулентного течения в кольцевых диффузорах, для которых имеются экспериментальные данные по полным потерям (п).

Для этого был выбран метод, основанный на решении осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье - Стокса с замыканием системы уравнений двухпараметрической моделью турбулентности SST, которая наиболее точно предсказывает точки перехода и отрыв потока. Задача решалась на коммерческом комплексе вычислительной газодинамики CFX-TASCflow, который успешно верифицирован на ОАО «НПО «Сатурн» на задачах течения потока в лопаточных венцах ГТД. Кроме того, результаты 3-d расчетов течения в кольцевых диффузорах хорошо согласуются с экспериментальными данными по полным потерям, полученными Довжиком С. А., Морозовым А. И. и Уманским М. П., Амелюшкиным В. Н. (рис. 6). Расчеты проводились на сетках порядка (2…7)·105 узлов со сгущением к стенкам. Радиальный размер пристеночных ячеек составлял (2…5)·10-6 м. Расчетные области задавались сектором в 10, вследствие ограниченности ресурсов ЭВМ, с условием периодичности на боковых поверхностях. В качестве граничных условий задавались статическое давление на выходе и полная температура на входе, равные САУ, полное давление на входе подбиралось для обеспечения чисел Re, указанных в экспериментах. Сходимость расчетов определялась по достижении максимальных невязок < 10-4 и средних невязок < 10-5. Время расчетов одного канала составляло от 24 до 140 ч. Для оценки потерь в канале поля давлений осреднены по расходу.



Рис. 6. Сопоставление полных потерь, полученных экспериментально и 3-d численным моделированием течения в кольцевых диффузорах

Рис. 7. Сопоставление д, полученных через полные потери при допущении Nk2/ Nk1 = 1 из эксперимента, и полученных в результате 3-d моделирования

Сравнение расчетных значений внутренних потерь полного давления д, полученных разработанным методом (описанным в главе 2), с результатами 3-d расчетов показало их удовлетворительное согласование (рис. 5).

Полученные в 3-d расчетах данные позволили оценить погрешность пересчета внутренних потерь полного давления д через полные п (рис. 7) по известной формуле:

(12)

при допущении равенства коэффициентов Кориолиса, то есть Nk2 / Nk1 = 1, что показало некорректность такого подхода к вычислению внутренних потерь полного давления.

В главе 4 описывается экспериментальный стенд, средства измерения и обосновывается выбор методики исследования.

Рис. 8. Распределение относительной скорости в окружном направлении на среднем диаметре на входе в исследуемые каналы



Рис. 9. Схема экспериментальной установки

Экспериментальная установка состоит из входного участка и исследуемого кольцевого канала (рис. 8). Геометрические характеристики исследуемых каналов представлены в табл. 1. Исследования течения потока в каналах проводилось с максимальными скоростями на входе до 50 м/с (что соответствует приведенной скорости 0,14), при числах Re = (2…3,5)·105, что позволяет переносить результаты исследований на реальные межтурбинные переходные каналы.

Входная окружная неравномерность потока создавалась 6 шпильками, установленными в соответствии со схемой (рис. 8), а дополнительная - 12 направляющими лопатками. На рис. 9 показано распределение относительной скорости в окружном направлении на среднем диаметре на выходе из входного участка при 2-х неравномерностях потока. Здесь Nkcp - коэффициент Кориолиса, характеризующий неравномерность потока в окружном направлении (на среднем диаметре), а Nk - коэффициент Кориолиса, характеризующий суммарную неравномерность потока.

Таблица 1. Геометрические характеристики исследуемых каналов

Название	L	d	?	?	q	qr	qm
Безградиентный	1,25	0,5	12,3°	-4,9°	1,0	1,74	0,58
Диффузор	1,25	0,5	10,1°	-0,4°	1,6	1,6	1,0

на входе висследуемые каналы	на выходе из безградиентного канала	на выходе из диффузорного канала

Рис. 10. Профили скорости в радиальном направлении в ядре потока при Nkcp1=1,01745, Nk1=1.06036 (без направляющих лопаток)

В главе 5 приводятся результаты траверсирования потока в исследуемых каналах с входной окружной неравномерностью. Опытные данные свидетельствуют о безотрывности обтекания исследуемых каналов. Потери в каналах были получены осреднением измеренных полей давления по расходу с учетом поперечной кривизны каналов. Измерения проводились в 4-5 характерных радиальных плоскостях и в среднем поясе по окружности. Типичные профили показаны на рис. 10.

На рис. 11 указаны экспериментально полученные значения внутренних потерь исследуемых каналов при двух значениях входной окружной неравномерности потока и данные, полученные 3-d расчетом (и предложенным методом без учета входной окружной неравномерности). Сопоставление экспериментальных и рассчитанных данных показало существенное влияние входной окружной неравномерности на потери в диффузорном канале. Расчетные потери в диффузоре значительно ниже, чем в безградиентном канале. Это связано с тем, что при безотрывном течении с увеличением степени диффузорности потери снижаются вследствие снижения потерь трения. Из этого мог бы следовать вывод, что в качестве межтурбинных переходных каналов необходимо использовать предотрывные диффузоры. Однако полученные экспериментальные данные показывают, что наличие входной окружной неравномерности, присущей межтурбинным переходникам, приводит к увеличению потерь в диффузоре по сравнению с безградиентным каналом.

Рис. 11. Влияние входной окружной неравномерности на внутренние потери полного давления в кольцевых каналах с увеличивающимся средним диаметром

Окружная неравномерность приводит к возникновению дополнительных местных диффузорностей, что связано со стремлением потока выравниваться. Поэтому на границе области ускоренного и заторможенного потока возникают местные увеличения потерь.

Исследования показали, что выравнивающая способность в безградиентном канале и в диффузорном при различной входной окружной неравномерности оказалась различной. Наибольшее выравнивание потока происходило в безградиентном канале при меньшей входной окружной неравномерности, а в диффузорном канале с повышенной окружной неравномерностью неравномерность потока возросла (табл. 2).

Таблица 2. Изменение неравномерности потока в кольцевых каналах

Название	Nkcp1	Nkcp2 / Nkcp1	Nk2 / Nk1
Безградиентный	1,01745	0,9854	1,0235
	1,01953	0,9875	1,0171
Диффузор	1,01745	0,9964	1,0883
	1,01953	1,0287	1,0953

На основании проведенного экспериментального исследования для определения коэффициента внутренних потерь полного давления в разработанном методе введен поправочный коэффициент, учитывающий влияние входной окружной неравномерности, характерной для межтурбинных переходных каналов. Таким образом, формула для определения может иметь вид:

, (13)

Где K = 1 для q = 1; K = 180,6 · Nk1ср - 179,6 для q = 1,6.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. С использованием степенного представления профиля скорости разработан метод оценки внутренних потерь полного давления турбулентного безотрывного течения в кольцевых каналах с положительным продольным градиентом давления.

2. Разработанный метод оценки внутренних потерь полного давления турбулентного безотрывного течения в кольцевых диффузорных каналах дает возможность расчетным путем, без привлечения значительных вычислительных ресурсов, получать результаты, которые хорошо согласуются с экспериментальными данными.

3. Методом численного моделирования турбулентного течения в кольцевых диффузорных каналах установлено, что определение внутренних потерь полного давления через полные потери с допущением неизменности радиальной неравномерности потока по длине канала приводит к существенным ошибкам и неприменимо в проектировании межтурбинных переходных каналов.

4. Экспериментально обнаружено, что входная окружная неравномерность потока приводит к значительному увеличению внутренних потерь полного давления в кольцевом диффузорном канале в отличие от безградиентного течения. Выявлено, что диффузорность приводит к увеличению выходной неравномерности потока.

5. Сравнение экспериментальных данных с данными, полученными в 3-d расчетах кольцевых диффузоров без моделирования входной окружной неравномерности, показало необходимость учета ее влияния при проектировании межтурбинных переходных каналов.

Основные публикации по работе

1. Кащеев, А. В. О выборе меридианальной и тангенциальной составляющих степени диффузорности в межтурбинном переходном канале [Текст] / А. В. Кащеев // XXIX конференции молодых ученых и студентов: тезисы докладов. - Рыбинск: РГАТА, 2005. - C. 76-77.

2. Богомолов, Е. Н. Влияние тангенциальной и меридиональной составляющих степени диффузорности на эффективность кольцевого диффузорного канала [Текст] / Е. Н. Богомолов, А. В. Кащеев // Проблемы создания перспективных авиационных двигателей: тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов // Москва: ЦИАМ, 2005. - С. 113-115.

3. Кащеев, А. В. Влияние формы межтурбинного переходного канала ГТД на эффективность турбины низкого давления [Текст] / А. В. Кащеев, П. В. Кащеева // VIII Королевские чтения: сборник трудов Всероссийской молодежной научно-технической конференции с международным участием. Самара: СГАУ, 2005. - С. 53.

4. Богомолов, Е. Н. Об экспериментальном исследовании кольцевых диффузорных каналов [Текст] / Е. Н. Богомолов, А. В. Кащеев // Проблемы и перспективы развития двигателестроения: тезисы докладов международной научно-технической конференции. - Самара: СГАУ, 2006. - С. 8-9.

5. Богомолов, Е. Н. Исследование особенностей течения потока воздуха в кольцевых диффузорных каналах газотурбинных двигателей [Текст] / Е. Н. Богомолов, А. В. Кащеев // Авиационно-космическая техника и технология. - 2006. -№ 8 (34). -С. 129-132.

Размещено на Allbest.ur

...