Исследование аэродинамики отрывного диффузора камеры сгорания газотурбинного двигателя с целью снижения гидравлических потерь на основе физического эксперимента и численного моделирования

Газотурбинные двигатели в течение многих десятилетий являются основными силовыми установками в авиации. В последнее время они находят все большее применение в качестве силовых установок на судах и тепловозах, грузовых автомашинах, автобусах, танках и т. д. Все шире газотурбинные установки используются для привода газоперекачивающих агрегатов (ГПА) энергоустановок. Это привело к тому, что производство газотурбинных двигателей стало одной из ведущих отраслей индустриально развитых стран мира. Не стоит большого труда заметить рост важности этой отрасли в наиболее промышленно-значимых, а так же развивающихся странах мира.

Организация рабочего процесса КС существенно отличается от других топливо сжигающих устройств, применяемых в технике. Важными требованиями, предъявляемыми к камерам сгорания ГТД любого класса, являются высокая полнота сгорания, низкий уровень гидравлических потерь, обеспечение заданных профилей распределения параметров потока на выходе.

Для снижения скорости воздуха после компрессора в большинстве современных камер сгорания используется отрывной диффузор, который состоит из плавно расширяющегося преддиффузора с углом раскрытия до 12° и следующего за ним внезапного расширения [1,3,4,30]. Процесс преобразования кинетической энергии потока в потенциальную энергию давления в диффузоре связан с ростом энтропии за счет диссипации части энергии, вызванной различными факторами (потери на трение, вихреобразование, отрыв потока), а любые потери полного давления в диффузоре — это увеличение гидравлического сопротивления камеры сгорания. Течение в диффузоре неустойчиво, так как в связи с противоположным направлением действия сил давления и инерции происходит быстрое нарастание толщины пограничного слоя, что приводит к раннему отрыву потока и образованию зон с возвратным течением у одной или обеих стенок [22, 32, 33]. Этот процесс сопровождается резким увеличением потерь полного давления. Кроме того, поле скорости за диффузором в этом случае становится существенно неравномерным, что усложняет обеспечение надежного охлаждения стенок жаровой трубы и требуемого поля температур перед турбиной [10,36].

Оптимизация конструкции отрывного диффузора камеры сгорания возможна, если известна информация о совместном влиянии основных режимных и геометрических параметров (степени расширения преддиффузора, положения жаровой трубы, распределения расходов воздуха между кольцевыми каналами) на эффективность диффузора и камеры сгорания. Аналитическое решение задачи в каналах сложной геометрии сопряжено со значительными трудностями. В связи с этим, получить необходимую информацию о причинно-следственных взаимосвязях течения с выбранным режимом и конкретной геометрией можно двумя методами — численным решением задачи с использованием имеющихся пакетов прикладных программ и постановкой тщательно спланированного многофакторного эксперимента. Такой комплексный подход позволит получить необходимые данные для верификации численных методов и даст возможность разработки адекватной математической модели отрывного диффузора.

Обозначенные проблемы послужили толчком к переосмыслению роли диффузора в рабочем процессе современной камеры сгораиия. В результате чего, все больше внимания уделяется вопросам оптимизации этого узла, поиску путей повышения его эффективности и разработке методик проектирования. В настоящее время методика проектирования отрывных диффузоров не разработана вследствие отсутствия экспериментальных данных по влиянию различных режимных и геометрических параметров на их эффективность [20, 27—29,30]. Для разрешения указанных проблем требуется проведение исследований, направленных на выявление определяющих факторов и их совместного влияния на газодинамические параметры отрывного диффузора. Необходимо получить критериальные уравнения, позволяющие оценить влияние геометрических и режимных факторов на эффективность такого диффузора. Выбранная тема, направленная на совершенствование рабочего процесса современных авиационных двигателей за счет оптимизации аэродинамики проточной части камеры сгорания достаточно актуальна и перспективна. Сокращение длины КС, а, следовательно, и веса, снижение потерь в КС и обеспечение требуемых полей распределения параметров пред турбиной — факторы, способствующие созданию техники последующих поколений.

Методы исследований.

Для решения постановленных задач использованы теоретические методы расчета геометрии отрывного кольцевого диффузора, методы численного моделирования турбулентных течений, статистического анализа, экспериментальные исследования на газодинамическом стенде.

Достоверность и обоснованность полученных результатов.

Достоверность и обоснованность полученных результатов достигается корректным применением соответствующих математических положений и законов и обеспечивается корректным выбором методики проведения эксперимента, применением измерительных приборов с необходимой калибровкой и поверкой метрологического оборудования. Достоверность результатов подтверждается удовлетворительным совпадением данных численных расчетов с результатами опытных исследований, а так же совпадением при сравнении с данными, полученными другими исследователями.

На защиту выносятся:

— Результаты численных и экспериментальных исследований;

— Критериальная модель расчета отрывного кольцевого диффузора;

— Методика проектировочного расчета геометрии отрывного кольцевого диффузора.

Научная новизна работы:

Проведено комплексное численное и опытное исследование аэродинамики отрывного кольцевого диффузора КС ГТД, позволившее отработать геометрию канала по минимуму гидравлических потерь и создана критериальная математическая модель расчета геометрии отрывного кольцевого диффузора, погрешность расчета потерь полного давления по которой не превышает 2,7%, а восстановление статического давления 3,5% соответственно.

Практическая ценность.

Экспериментальные данные и созданная математическая модель для исследования характеристик отрывного диффузора позволяет сократить время разработки и доводки энергетических установок, с кольцевыми камерами сгорания. Полученные результаты могут быть использованы в процессе проектирование отрывных кольцевых диффузоров и их доводки с минимизации гидравлических потерь.

Выводы по главе.

1. Анализ результатов опытов показал, что не всегда режим с минимальными потерями обеспечивает необходимое торможение потока и симметричное распределение статического давления по поверхности обтекателя жаровой трубы.

2. Обобщение обширного материала многофакторного эксперимента подтвердило, что оптимальные значения геометрических и режимных параметров, обеспечивающих минимум гидравлических потерь и максимум восстановление статического давления расположены в областях, ограниченны следующими диапазонами изменения определяющих безразмерных факторов: 1,148 < Т)< 1,9- 1,12 < Ё< 2,48- 1,15 < 5 < 2,0- 1,55 < п< 1,7.

3. Наименьшее значение коэффициента гидравлических потерь^ равное 0,146, достигается в преддиффузоре со степенью расширения /2=1,55, 0/ЬпХ =.

1,148, Р = 1,12 и 5 = 2, а максимальное значение коэффициента восстановления статического давления, равное 0,592, достигается в преддиффузоре со степенью расширения п= 1,55, 0/Ьвх = 1,518, Б = 2,48 и? = 2 (таб.4.1). Эти величины на 25% и 75%, превышают максимально возможные в случае использования плавного преддиффузора.

4. Отмеченные выше критериальные уравнения позволяют на стадии проектирования провести оценку характеристик отрывного диффузора с оптимизацией его геометрии и режима работы по его аэродинамической эффективности в составе камеры сгорания. Точность полученных критериальных уравнений составила для ^ - 2,7%, для Ср — 3,5% и для, а -0,12%.

ГЛАВА 5. ТРЕХМЕРНОЕ ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АЭРОДИНАМИКИ ТЕЧЕНИЯ В ОТРЫВНОМ ДИФФУЗОРЕ И МЕТОДИКА ЕГО ПРОЕКТИРОВАНИЕ.

5 Л Постановка задач, математическая модель и граничные условия.

Сопоставление опытных данных и результатов численных расчетов выявили их заметное расхождение, которое может быть объяснено совокупным влияниям погрешностей, как экспериментальных исследований, так и неточностью двухмерного расчета, для задачи, содержащей в себе очевидные элементы трехмерного течения. В этой связи в рассматриваемой главе сделана попытка трехмерного численного моделирования и её верификация с опытными данными и результатами других исследователей. При проведении численного моделирования газодинамики течения в отрывном диффузоре КС рассматривалось турбулентное течение вязкого несжимаемого газа в декартовой системе координат. Течение описывалось осредненными по Рейнольдсу уравнениями Навье-Стокса [64 — 66] д, а неразрывности.

5.2) сохранения энергии dtK ' J — at. }dx] 4 состояния.

P = P-R-T, (5.4) и уравнениями для различных моделей турбулентности: к-е standard, к — е RNG, к — б Realizable, к — со standard, SST, SAVBR, SASVBR и RSM моделей турбулентности.

В к — s модель турбулентности локальные значения к и s получаются из решения следующего полуэмпирического уравнения переноса: д{рк) д (риук) д dt дх. дх;

Г, дк дх. Pk-ps j J dt + dxj dxj rA v dxj у где гk = /и—, ге — jli— - коэффициенты диффузии.

Генерация турбулентности описывается следующим членом:

Р,.

8Ui duj.

— i-н—L дх. дх. dU. dXj.

5.5).

Величины всех констант модели даются в таб. 5.1.

Константы модели турбулентности.

РА.

0.09 1.44 1.92 1.0 1.3 0.9.

Одна из основных проблем при моделировании турбулентности состоит в точном прогнозе отрыва потока от гладкой поверхности. Это важное явление для многих технических приложений. В настоящее время наиболее для моделирования в этой области является двухуровневая к-со модель. Одно из преимуществ к-со модели — достаточно точное вычисление потока в пристеночном слое, где низкие числа Рейнольдса. Модель не включает сложные нелинейные демпфирующие функции, необходимые для модели к-е и, следовательно, более точна и устойчива. Сетка при низких числах Рейнольдса в пристеночной области требует наименьший размер ячейки, по крайней мере, у+<2. Это условие не может гарантироваться в большинстве прршожений и по этой причине, была разработана новая обработка пристеночного слоя для к-со модели. Она дает плавный переход от региона с низким числом Рейнольдса к региону, где используются пристеночные функции.

Отправным пунктом представленной формулировки к-со модели является модель, разработанная Вилкоксом. Он решает два уравнения переноса, для турбулентной кинетической энергии, к, и для турбулентной частоты, со. Тензор напряжений вычисляется согласно концепции вихревой вязкости, к-уравнение: д{рк) д{рик) д у ч—-— - Рк~ ?3 рксо л-дt дх, дх,.

И, У дк к-дХ1.

5.6) еуравнение: д (рш) dipUjCo) о) dt а~Рк — (Зрю + — дх, к дх,.

JU +.

М, У да? у dxj.

5.7).

Дополнительно к независимым переменным, плотность, р, и вектор скорости, Ц, рассматриваются как известные значения из решения уравнений Навье-Стокса. Ркчлен генерации турбулентности:

5.8).

1 ди. ди, с =±-(ЕЫ + —?.). (5.9) и 2 дх. дх1 где Эу — тензор скоростей деформации.

Приведем константы модели: /Г = 0,09, а = 5/9, р = 3/40, ак — 2, а0> - 2 Неизвестный тензор напряжений Рейнольдса, ти, вычисляется из:

Ty=M, lS9 (5.10).

Для решения указанных уравнений использовался коммерческий код CFX-TASC flow, дискретизация уравнений в котором проводится методом контрольных объемов. Для сравнительного анализа двухмерных и трехмерных методов расчета моделирование течения в отрывном диффузоре проводилось как на секторе, полностью повторяющем геометрию экспериментальной установки, так и на плоской модели. В обоих случаях использовалась структурированная гексагональная сетка. На предварительном этапе, с целью сравнения точности расчета различных моделей турбулентности, выполнена серия 3D расчетов диффузора на основном режиме (D = 1.518, F= 1,67, S=l, 5 и n =1,48) с использованием к-е standard, к — г RNG, к — s Realizable, к — со standard, SST, SAVBR, SASVBR и RSM моделей турбулентности. Использованная при расчетах сеточная модель представлена на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Трехмерная сеточная модель расчетной области.

Общее число элементов для сеток со сгущением составило порядка 1 000 000, соответствующем безразмерной координате у ~ !. В качестве граничных условий на входе задавались значения полного давления и температуры, на выходе — осредненное значение статического давления. Значения этих параметров определялось по результатам проведенных экспериментальных исследований. На входе задавался масштаб турбулентности 0,003 м и её интенсивность 5%.

Полученные в ходе обработки результаты расчетов коэффициентов гидравлических потерь, восстановления статического давления и относительных потерь полного давления представлены в таблице 5.2. Наименьшее расхождение с экспериментальными данными получено при использовании модели турбулентности, объединяющей в себе преимущества к-е ик-со моделей. Кроме того, анализ применения этой модели при расчете диффузорных течений, в том числе и с отрывом потока, [ 17, 40, 67, 68], также показывает наилучшее согласование с опытами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Анализ результатов опытов показал, что не всегда режим с минимальными потерями обеспечивает необходимое торможение потока и симметричное распределение статического давления по поверхности жаровой трубы. В конечном счете, управление течением в отрывном диффузоре сводится к управлению вихрями, образующимися при внезапном расширении, путем согласованного изменения положения жаровой трубы и распределения воздуха между кольцевыми каналами.

2. Наименьшее значение коэффициента гидравлических потерь, равное 0,146, достигается в преддиффузоре со степенью расширения" =1,55, В/Ьвх = 1,148, Р = 1,12 и 51 = 2, а максимальное значение коэффициента восстановления статического давления, равное 0,592, достигается в преддиффузоре со степенью расширения п= 1,55, В/Ъвх = 1,518, Б = 2,48 и 51 =2 (таб.4.1). Эти величины на 25% и 75%, превышают максимально возможные в случае использования плавного преддиффузора.

3. Разработанные критериальные уравнения позволяют на стадии проектирования провести оценку характеристик отрывного диффузора с оптимизацией его геометрии и режима работы по его аэродинамической эффективности в составе камеры сгорания. Точность полученных критериальных уравнений составила для — 2,7%, для СР — 3,5% и для ст — 0,12%.

4. Верификация численных расчетов по экспериментальным данным показала, что среднее расхождение по величине потерь ^ составляет 6%, а по Ср — порядка 2,9%. Таким образом, использованный метод численного расчета пригоден для расчета течений в отрывном диффузоре.

5. Разработана методика расчёта отрывных диффузоров КС ГТД на основе впервые полученных и обобщенных опытных данных, позволяет рассчитать геометрию и эффективность работы с учетом заданных параметров и погрешностью не превышающей 5%.