04 ноября 2017г.
Для производителей техники авиационного и энергетического назначения одной из главных задач является повышение качества рабочего процесса газотурбинных двигателей (ГТД), характеризующееся увеличением максимальной температуры газа перед турбиной, степени повышения давления в компрессоре и в целом эффективности двигателя как тепловой машины. Отмеченные условия формируют ряд требований к одному из основных элементов ГТД – камере сгорания (КС), качество рабочего процесса и аэродинамика которой зависят от совершенства ее конструктивного исполнения.
Газодинамика течения в КС, определяющая формирование полей термогазодинамических параметров на входе в турбину, зависит от равномерности эпюры скорости воздуха за компрессором. С увеличением неравномерности возрастают гидравлические потери. Такая взаимосвязь неравномерности воздуха с гидравлическим сопротивлением камеры определяет необходимость ее учета при проектировании диффузоров КС. Таким образом, проектирование современных КС ГТД и возможность совершенствования их рабочего процесса во многом определяется характером течения в диффузоре.
Поток воздуха, поступающий из компрессора в диффузор КС, может иметь несимметричный по сечению канала профиль скорости, формируемый за счет нестационарного взаимодействия последней ступени компрессора и направляющего аппарата и остаточной закрутки потока. Для исследования влияния неравномерности входного профиля скорости на входе на характеристики диффузора необходимо проведение аэродинамического эксперимента, заключающегося в формировании несимметричного профиля скорости перед диффузором КС. Эпюры несимметричного входного профиля получены решением обратной задачи газовой динамики. Применение методов численного моделирования позволило получить геометрию проточной части, обеспечивающую требуемую несимметричность профиля скорости. В работе [2] обоснован выбор необходимых для постановки эксперимента генераторов несимметричности.
Коэффициент гидравлических потерь, представляющий отношение потерь полного давления к скоростному напору во входном сечении диффузора определяется:
Экспериментальные исследования проводились на модели прямоугольной развертки 1/8 сектора отрывного диффузора кольцевой КС (рис. 1), выполненной из оргстекла в масштабе 1:1 (рис. 1). Положение
жаровой трубы меняется в осевом и
радиальном направлениях. В эксперименте устанавливались генераторы
несимметричности с необходимыми коэффициентами 0,14 < K < 7, 4 .
Результаты сравнения входных профилей скорости, полученные численным моделированием и обработкой результатов эксперимента, представлены на рисунке 2 а-в. Скорость набегающего потока
пересчитывалась через давление, измеряемое в эксперименте с помощью пятиточечных гребенок, подсоединенных к батарейному манометру.
В случае симметричной входной эпюры (K=1) формирующийся турбулентный профиль адекватно описывается расчетной кривой по всем 5 опытным точкам по высоте канала. Максимальная ошибка расчета
относительно эмпирических данных составляет 26%, средняя не превышает величины 7,46%.
Расчетные и экспериментальные профили
скорости,
искаженные
генераторами
несимметричности (0,14 <
K < 7, 4) качественно согласуются, но погрешности несколько выше, что наиболее заметно при K =4,6 (рис. 2,в), где средняя погрешность достигает 37
%. Это связано с тем, что в расчетном профиле формирующаяся за генератором несимметричности пристенная зона обратных токов не успевает замыкаться
до входного сечения преддиффузора и обуславливает оттеснение некоторой массы потока в верхний полуканал. Таким образом, среднерасходная
скорость потока в верхнем полуканале больше эмпирических значений на 42,6%. Это подтверждается локальным максимумом на относительной высоте ℎ̅ = 0,17, не наблюдаемого в опыте. Остальные профили скорости
хорошо
коррелируют между
собой
во
всем исследованном диапазоне коэффициента несимметричности.
Результаты продувок диффузора с генераторами неравномерности, формирующими отличный от
симметричного относительно оси канала профиль скорости на входе, показали, что коэффициент
гидравлических потерь увеличивается с ростом K.
Результаты экспериментальных исследований влияния несимметричности профиля скорости на входе в преддиффузор и
интенсивности турбулентных пульсаций
потока на коэффициент гидравлических потерь в
диффузоре представлены на рисунках 3-5.
Характерным моментом для всех полученных зависимостей является наличие минимума гидравлических потерь при равномерном профиле скорости на входе вне зависимости от интенсивности турбулентности
набегающего потока.
Таким образом, при увеличении числа Рейнольдса наблюдается монотонное увеличение ξ в диапазоне 1051,6 соответствует максимум гидропотерь. Существенный рост гидравлического сопротивления отрывного диффузора КС возникает при
интенсивности
турбулентности e³1,35% при
K ³2,93.
Список литературы
1. Гурьянова М. М., Пиралишвили Ш. А. Влияние входной несимметричности профиля скорости
и начальной интенсивности турбулентности на гидравлику отрывного диффузора камеры сгорания ГТД // Авиационная техника. 2016. №2. С.38-45
2.
Тимофеева К.Р., Гурьянова М.М. Численное моделирование аэродинамики отрывного
диффузора камеры сгорания ГТД с учетом взаимодействия потока в кольцевых каналах и течением в объеме жаровой трубы [Текст] // Труды XXI Школы – семинара под руководством РАН А.И. Леонтьева. Издательский дом МЭИ. 2017.
С. 62-65
