Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние исследуемой проблемы и постановка задачи исследования 8
1.1. Анализ параметров течения в плоских и осесимметричных диффузорах 8
1.2. Аэродинамические характеристики диффузоров 15
1.3. Анализ параметров течения в кольцевых диффузорах 16
1.4. Анализ геометрических параметров межтурбинных переходных каналов 22
1.5. Условия работы межтурбинных переходных каналов 30
1.6. Влияние входной закрутки потока на эффективность работы кольцевых диффузоров 33
1.7. Влияние геометрических параметров на эффективность работы осекольцевых диффузоров с закруткой потока 38
Выводы по главе 1 44
Глава 2. Экспериментальное исследование межтурбинных переходных каналов 46
2.1. Основные вопросы моделирования 46
2.2. Опытный стенд и модель 48
2.3. Измерение параметров потока 51
2.4. Методика испытаний модели и обработки данных 57
2.5. Оценка погрешностей результатов исследований 58
2.6. Анализ достоверности результатов 60
Выводы по главе 2 61
Глава 3. Анализ результатов эксперимента 62
3.1. Характеристики закручивающего устройства 62
3.2. Потери в диффузорах при осевом течении на входе 68
3.3. Потери в диффузорах при наличии входной закрутки потока 69
3.4. Изменение коэффициентов давления вдоль наружной стенки диффузоров 78
3.5. Изменение углов закрутки потока в диффузорах 82
3.6. Оценка изменения углов закрутки потока в диффузорах 90
3.7. Расчетный метод оценки потерь в диффузорах 101
3.8. К вопросу определения толщины пограничного слоя в условиях скоса потока 107
Выводы по главе 3 112
Глава 4. Численное исследование течения в межтурбинных переходных каналах 116
4.1. Применение численных методов 116
4.2. Моделирование течения в межтурбинном переходном канале 117
4.3. Результаты расчета 119
Выводы по главе 4 135
Заключение 137
Список использованных источников 138
- Аэродинамические характеристики диффузоров
- Методика испытаний модели и обработки данных
- Потери в диффузорах при осевом течении на входе
- Моделирование течения в межтурбинном переходном канале
Введение к работе
Актуальность работы. Межтурбинный переходный канал – это обязательный элемент большинства авиационных и промышленных газотурбинных двигателей, который появляется при обеспечении наибольшей эффективности работы турбины газогенератора, турбины низкого давления или силовой турбины (рис. 1). Межтурбинный переходный канал оказывает непосредственное влияние на условия работы турбины низкого давления и силовой турбины и, следовательно, на работу всего двигателя. Поэтому на межтурбинный переходный канал накладывается жесткие ограничения по величине потерь давления. Кроме того, при проектировании турбины низкого давления и силовой турбины для обеспечения их высокой эффективности необходимо знать распределение параметров на входе, а распределение этих параметров во многом зависит от особенностей течения в переходном канале.
Модификация авиационных газотурбинных двигателей, как правило, осуществляется за счет каскада низкого давления, а модификация промышленных газотурбинных установок – за счет силовой турбины. Поэтому межтурбинный переходный канал в условиях модификации двигателей занимает одно из основных мест, так как во многом определяет условия работы модифицированных турбин. Модификация газотурбинных двигателей в целях повышения их мощности сопровождается либо увеличением числа ступеней турбины, либо увеличением ее диаметра. Увеличение диаметра приводит к росту диффузорности межтурбинного переходного канала.
Турбины высокого давления современных газотурбинных двигателей могут иметь весьма разнообразный характер распределения входной закрутки по высоте проточной части. Закрутка может быть постоянной по радиусу, а также увеличиваться или уменьшаться по радиусу. Поэтому эффективность работы межтурбинных переходных каналов будет определяться их диффузорностью, величиной и типом входной закрутки.
Совместное влияние диффузорности и входной закрутки на эффективность работы межтурбинных переходных каналов оказывается мало изученным. В настоящее время отсутствуют какие-либо обобщения по диффузорности и входной закрутке. Отсутствуют рекомендации по проектированию межтурбинных переходных каналов различной диффузорности в условиях входной закрутки. Поэтому в диссертационной работе была поставлена задача исследовать влияние диффузорности на эффективность межтурбинных переходных каналов газотурбинных двигателей в условиях переменной по радиусу входной закрутки потока. Проведенное исследование является актуальным, несет новую информацию, содержит обобщающие зависимости, поэтому обладает всеми признаками научной новизны.
Цель работы.
Исследовать совместное влияние диффузорности и входной закрутки на кинематические характеристики и газодинамическую эффективность межтурбинных переходных каналов.
Для достижения поставленной цели необходимо:
-
Проанализировать влияние геометрических параметров, условий на входе, режимных параметров на характеристики межтурбинных переходных каналов. Для межтурбинных переходных каналов установить диапазоны по диффузорности и углам входной закрутки, отвечающие интересам практики.
-
Провести экспериментальное исследование характеристик межтурбинных переходных каналов в выявленных диапазонах по диффузорности и углам закрутки.
-
Провести численное исследование течения в межтурбинных переходных каналах с целью выявления его особенностей внутри проточной части.
-
Сформулировать рекомендации по практическому применению результатов экспериментального и численного исследования для проектирования межтурбинных переходных каналов с входной закруткой.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались аэродинамический эксперимент и численное моделирование.
Достоверность и обоснованность результатов:
-
Достигается применением специального экспериментально-исследовательского оборудования, соблюдением геометрического, кинематического и динамического подобия, применением сертифицированных средств при обработке экспериментальных данных, проведении численного исследования.
-
Подтверждается соответствием полученных данных известным достоверным результатам, наблюдениям и описаниям других исследователей, соответствием известным закономерностям изменения исследуемых величин, совпадением полученных в ходе исследования расчетных и экспериментальных данных
На защиту выносятся:
-
Результаты исследования характеристик межтурбинных переходных каналов с варьируемой диффузорностью при различной входной закрутке.
-
Зависимость оптимальной, с точки зрения уменьшения потерь, величины входной закрутки от диффузорности канала.
-
Эмпирические соотношения для быстрой инженерной оценки потерь и углов закрутки потока в межтурбинных переходных каналах с входной закруткой.
-
Рекомендации по практическому применению результатов экспериментального и численного исследования для проектирования межтурбинных переходных каналов различной диффузорности с входной закруткой.
Научная новизна.
-
Установлено, что оптимальная, с точки зрения уменьшения потерь, величина входной закрутки зависит от диффузорности межтурбинного переходного канала и характера распределения входной закрутки по радиусу.
-
Получена зависимость изменения средних значений углов потока в межтурбинном переходном канале от его геометрических параметров и режима течения.
-
Получены эмпирические соотношения для оценки потерь и углов потока в межтурбинных переходных каналов с входной закруткой за счет учета характера распределения входной закрутки по радиусу.
Практическая полезность. На основе выполненных экспериментальных и численных исследований разработаны рекомендации по проектированию межтурбинных переходных каналов различной диффузорности в условиях переменной по радиусу входной закрутки. Разработанные рекомендации направлены на повышение газодинамической эффективности межтурбинных переходных каналов в условиях входной закрутки, улучшение работы системы «межтурбинный переходный канал-турбина низкого давления», что имеет существенное значение при проектировании и доводке турбин авиационных и промышленных ГТД.
Реализация результатов. Сформулированные по результатам диссертационной работы рекомендации применяются при проектировании турбины перспективного ГТД в ОАО «НПО «Сатурн», а также при освоении новых изделий и разработке специального оборудования газотурбинной тематики на ОАО ГМЗ «Агат».
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
– 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;
– Научно-практическая конференция, посвященная 50-летию кафедры «Авиационные двигатели», г. Рыбинск, 2007 г;
– Международная научно-техническая конференция «Энергетические установки: тепломассообмен и процессы горения», посвященная 70-летию основателя Рыбинской школы теплофизиков Ш.А. Пиралишвили, г. Рыбинск, 2009 г.
Публикации. Основное материалы диссертации опубликованы в 2 статьях в журналах, рекомендованных ВАК, 6 статьях в сборниках научных трудов и 6 тезисов докладов.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 149 страницах и включает в себя 150 иллюстраций и 13 таблиц. Работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка используемой литературы из 103 наименований.
Аэродинамические характеристики диффузоров
Для характеристики аэродинамических качеств диффузоров используются различные коэффициенты [26, 38, 40, 48].
Коэффициент внутренних потерь диффузора как участка магистрали с местным сопротивлением вычисляется по разности давлений полного торможения в долях от динамического давления во входном сечении канала: Согласно [42], внутренние потери полного давления в кольцевом диффузоре с прямолинейными образующими включают потери на внутреннее трение, потери на вихреобразование вследствие торможения пристеночного слоя, потери на поворот потока в изогнутых каналах, а также потери, вызванные диссипацией кинетической энергии от поперечной составляющей скорости, имеющие место при наличии цилиндрического участка на выходе из диффузора.
Одной из основных оценок эффективности диффузоров, устанавливаемых на выходе из труб, газовых трактов или каких-либо устройств (турбомашин), является коэффициент полных потерь, который кроме внутренних потерь учитывает потери кинетической энергии с выходной скоростью:
Диффузоры кольцевой формы широко используются в газотурбинных двигателях. Примером являются переходные каналы между каскадами высокого и низкого давления компрессоров и турбин, диффузоры камер сгорания, выхлопные патрубки компрессоров и турбин. В осевых турбомашинах широко применяются кольцевые диффузоры с, прямолинейными образующими (осекольцевые диффузоры). Находят применение также криволинейные диффузоры (S-образные переходные каналы, криволинейные выхлопные патрубки с осевым и диагональным выхлопом).
Схема осекольцевого диффузора и геометрические параметры, характеризующие форму меридионального сечения, представлены на рис. 6.
Основными параметрами, определяющими характеристики кольцевых диффузоров, являются степень расширения q, которая непосредственно связана с уменьшением скорости, и безразмерная длина диффузора L/hb определяющая в комбинации с q величину градиента давления и, следовательно, развитие пограничного слоя [48, 49, 79, 92]. Общая диффузорность q=F2/Fi=qr-qm формируется двумя составляющими: радиальной qr=r2cp/ricp, связанной с изменением среднего радиуса проточной части, и меридиональной qm=h2/hb обусловленной изменением высоты кольцевого сечения канала [7, 26, 65].
Важными параметрами являются углы наклона наружной и внутренней стенок диффузора, точнее их соотношение - плоский угол, который согласно [7, 16, 26] определяется выражением
Для характеристики кольцевого диффузора часто используется эквивалентный угол раскрытия, который согласно [7, 16, 26] определяется выражением
По аналогии с картинами течения в плоских и конических диффузорах увеличение степени расширения при фиксированной длине кольцевого диффузора приводит последовательно к неустановившемуся, переходному и, наконец, к полностью отрывному струйному течению, причем области отрыва в каждом из перечисленных режимов локализованы в пределах всей окружности [47, 49].
Проведенные исследования [9, 16, 43, 47, 49, 59] выявили различия в обтекании наружной и внутренней стенок кольцевого диффузора. Так, авторы [9], анализируя течение в диффузоре, установили, что поток у внутренней стенки более устойчивый (формпараметр Н=1,32...1,53) и имеет на наружной стенке (Н=1,55...1,82). На наружной стенке по длине канала происходит быстрое нарастание пограничного слоя, который имеет склонность к отрыву. Расчет течения в S-образном переходном канале [43] также показал различие в распределении скоростей на внутренней и наружной стенке: существование на наружной стенке канала протяженного участка торможения потока с большими градиентами скорости способствует отрыву пограничного слоя.
На рис. 7 представлены профили меридиональной скорости, полученные Р. П. Лохманном, С. И. Марковски, Е. Т. Брукманом (R. Р. Lohmann, S. J. Markowski, Е. Т. Brookman) [49] на выходе из двух осекольцевых диффузоров. В случае осевого течения на входе профиль скорости характеризуется незаполненностыо вблизи наружной стенки, выраженной в большей степени при высокой степени расширения и обусловленной потерями полного давления из-за направленного наружу отклонения потока на входе. Более высокий темп замедления меридионального течения в диффузоре с q=l,75 служит причиной большей незаполненности профиля скорости, чем в диффузоре с q=l,25. Авторы также отмечают, что эффективность восстановления давления в меридиональном течении снижается с ростом угла наклона проточного канала, что связано с перестройкой течения при переходе из осевого входного канала в наклонный проточный канал диффузора. Поворот потока приводит к замедлению течения вблизи наружной стенки, причем при большом угле поворота возможен местный отрыв потока.
Методика испытаний модели и обработки данных
Изменение статического давления вдоль наружной стенки диффузора оценивалось с помощью коэффициента давления где Pj — текущее статическое давление на внешней стенке. Скорость потока в сечении 0 модели определялась пневмометрическим методом по формуле где р - плотность воздуха, кг/м . Величины кинематической вязкости и плотности воздуха в зависимости от давления и температуры находились по справочнику [40]. Изменение угла закрутки при течении закрученного потока в диффузорах определялось как В случае Аа 0 наблюдалось выравнивание потока (приближение закрученного потока к осевому направлению), а при Аа 0 - дополнительное закручивание (отклонение от осевого направления). При определении аэродинамических характеристик элементов проточной части тепловых турбин, в том числе межтурбинных переходных каналов, имеют место систематические и случайные погрешности. Систематические погрешности измеряемых и вычисляемых величин приведены в табл. 6. Оценка случайных погрешностей выполнена И. Г. Гоголевым, А. М. Дроконовым [20] при рассмотрении методики определения характеристик ступеней, переходных каналов, выхлопных патрубков тепловых турбин. Случайная погрешность измерения характеризовалась средним квадратичным отклонением, т. е. рассеиванием результата при повторных измерениях с учетом задаваемого уровня доверительной вероятности. Заимствованные из работы [20] результаты расчета случайных погрешностей при доверительной вероятности 0,95 приведены в табл. 7. В соответствии с рекомендациями [20, 22] предусматривалась система проверок результатов эксперимента: 1. Сопоставление полученных данных с известными достоверными результатами других исследователей. Критерием достоверности полученных результатов являлось их соответствие имеющимся достоверным данным. 2. Использование известных закономерностей поведения исследуемой величины. Проверка результатов эксперимента заключалась в качественном сопоставлении полученных результатов с имеющимися сведениями о характере их изменения. 3. Анализ резко отклоняющихся значений. Анализ результатов эксперимента проводился на основании построенных зависимостей, что давало наглядное представление о качестве эксперимента, позволяло установить основные закономерности исследуемых явлений и их особенности. Достоверность результатов достигалась применением экспериментальной установки, измерительного стенда, приборов, соответствующих требованиям, предъявляемым к экспериментально-исследовательскому оборудованию; выполнением основных законов моделирования; применением сертифицированных программных пакетов при обработке данных и проведении численного исследования. Достоверность результатов подтверждается соответствием полученных экспериментальных и расчетных данных известным достоверным результатам, наблюдениям и описаниям других исследователей; соответствием известным закономерностям изменения исследуемых величин; совпадением полученных в ходе исследования расчетных и экспериментальных данных.
Потери в диффузорах при осевом течении на входе
Причем доли потерь, генерируемых в пристеночных областях, различаются, что обусловливает существование оптимальной, с точки зрения потерь, входной закрутки потока. Зависимость коэффициентов внутренних потерь исследуемых диффузоров от угла закрутки потока на входе представлена на рис. 56, 57.
Анализируя данные на рис. 58-62, можно отметить, что во всех диффузорах на увеличение внутренних потерь влияет главным образом рост потерь давления в области внутренней стенки канала и в меньшей степени -в области наружной стенки. Аналогичный характер распределения потерь по высоте проточной части диффузоров с закруткой потока наблюдался в опытах С. А. Довжика, В. М. Картавенко [30], Е. Н. Богомолова, А. Е. Ремизова, И. В. Полякова [8, 59].
По своим характеристикам диффузор q=l оказался близким к кольцевому цилиндрическому каналу, для которого увеличение входной закрутки приводит к монотонному возрастанию внутренних потерь (рис. 57), что соответствует опытным данным [30, 73, 97]. Действительно, основные геометрические параметры диффузора q=l оказываются близкими к параметрам кольцевого цилиндрического канала (q=0,98, уэкв=-0,23).
Анализируя данные на рис. 58-62, можно отметить, что в диффузорах q=l и q=l,3 увеличение входной закрутки до 5, а в диффузорах q=l,6 и q=l,9 - до 10, не приводит к существенному увеличению потерь в области наружной стенки. По всей видимости, это подтверждает выводы А. А. Макдональда, Р. Б. Фокса [51], Сэноо, Кавагути [72], R. Monah, S. Singh [90] о том, что положительный эффект от закрутки потока, наблюдаемый в области наружной стенки диффузора, может возникать при различных углах закрутки, в зависимости от геометрических параметров диффузора.
Во всех исследуемых диффузорах отрицательный эффект от закрутки потока, наблюдаемый в области внутренней стенки, наиболее существенно проявляется при входной закрутке свыше 5. В диапазоне входной закрутки 0...5 оказалось возможным даже некоторое уменьшение потерь в области внутренней стенки, что соответствует опытным данным С. А. Довжика, В. М. Картавенко [30].
По всей видимости, указанные причины приводят к появлению минимума потерь в исследуемых диффузорах при закрутке 0...7 (рис. 57). При дальнейшем увеличении закрутки характеристики диффузоров во всех случаях ухудшаются. В диффузоре q=l,6 при закрутке 30 наблюдался отрыв потока от внутренней стенки. Отрыв потока в диффузоре q=l,9 возникал при закрутке 25, а в диффузоре q=2,2 - при 20.
По всей видимости, указанные особенности течения закрученного потока вблизи наружной и внутренней образующих связаны с отмеченным в работах [30, 44, 49, 72, 73, 78] влиянием центробежных сил на порождение турбулентной энергии у стенок диффузора и изменением темпа развития пограничных слоев. Увеличенное порождение турбулентной энергии вблизи наружной стенки усиливает перенос импульса в радиальном направлении, что способствует стабилизации течения в этой области. У внутренней стенки, где порождение турбулентности подавлено, имеет место снижение способности потока к движению против осевого градиента давления, что может приводить к преждевременному отрыву потока от внутренней стенки.
Анализируя данные на рис. 57, можно отметить, что с увеличением степени расширения диффузора минимум потерь наблюдается при более высоких значениях входной закрутки. Так, в диффузоре q=l,3 минимум потерь имеет место при закрутке 2...3, в диффузоре q=l,6 - при 3...4, в q=l,9 - при 4. ..5, а в q=2,2 - при 6.
Моделирование течения в межтурбинном переходном канале
Численные исследования течений в кольцевых диффузорах газотурбинных двигателей (межкаскадных переходных каналах, диффузорах камер сгорания, выхлопных патрубках) проводили А. Е. Ремизов, И. В. Поляков, Ю. И. Гладков [58, 60, 102], Е. Н. Богомолов, А. В. Кащеев [9, 42], Ш. А. Пиралишвили, С. В. Веретенников [55, 56], В. А. Виноградов, Г. П. Каурова [18], А. Е. Коновалов [41, 43, 44, 103], С. М. Crane [77], С. Hah [78], L. Changlin [89], R. Monah, S. N. Singh [90, 91]. Результаты этих исследований показали, что основная проблема заключается в сравнительной сложности отрывных явлений в отдельных зонах диффузоров и отсутствии способов адекватного моделирования этих явлений при расчете потерь. Существующие методы и программные комплексы для аэродинамических расчетов трехмерных вязких турбулентных течений хотя и позволяют обнаруживать даже такие явления, как местные отрывы течения и вихревые зоны, нестационарные эффекты и процессы в скачках уплотнения или волнах разрежения, все же не обеспечивают требуемую точность оценок КПД процессов торможения потока в диффузорах [69, 99J 103]. Одной из причин этого является выбор подходящей модели турбулентности и соответственно задание турбулентной вязкости при решении уравнений Навье-Стокса. Так, в работах [42, 60, 102] использование k-є и SST моделей турбулентности при исследовании течения в диффузоре с помощью программного комплекса CFXASKflow позволило получить адекватные результаты по кинематическим параметрам потока, но не позволило получить достоверных результаты по потерям.
В работе [103] отмечается, что при использовании стационарных RANS-методов для расчета течений в отрывных пространственных диффузорах точность определения аэрогидродинамических параметров оказывается достаточно низкой и в ряде случаев не получается качественно правильного описания течения. Удовлетворительную точность расчетов обеспечивают только методы, основанные на решении нестационарных уравнений Рейнольдса или Навье-Стокса.
В связи с этим следует отметить большую значимость и необходимость работ по верификации программных комплексов вычислительной газовой динамики по результатам модельных экспериментальных исследований для конкретной задачи.
Многими ведущими проектными и научно-исследовательскими организациями авиадвигателестроения широко используется коммерческий комплекс вычислительной гидрогазодинамики CFXASKflow. Данный программный комплекс позволяет проводить численное моделирование движения жидкости и газа для широкого спектра научно-технических задач: расчет степеней и венцов турбомашин, моделирование теплового состояния деталей и узлов высокотемпературных ГТД, расчет процессов горения в камерах сгорания авиационных двигателей. Решатель CFXASKflow3D обеспечивает решения для несжимаемого или сжимаемого, стационарного или нестационарного, ламинарного или турбулентного однофазного газового потока, включая дозвуковые, трансзвуковые и сверхзвуковые течения в сложных геометриях [58, 69, 99].
В программном комплексе CFXASKflow используется метод совместного решения уравнений Навье-Стокса и системы уравнений разностного оператора для скоростей и давления.
На данном этапе проводилось численное исследование течения в диффузорах q=l,6, q=l,9 и q=2,2 при варьируемой входной закрутке различного типа.
Для численного решения задачи использовался коммерческий комплекс вычислительной гидрогазодинамики CFXASKflow. Моделирование пространственного течения воздуха производилось на основе уравнений Навье-Стокса, осредненных по Рейнольдсу (RANS). Для замыкания уравнений использовалась модель турбулентности k-s.
При создании математической модели диффузора сохранялось полное геометрическое соответствие экспериментальной модели. Расчетная модель представляла собой трехмерный регион сектором в 3 (рис. 124). Для уменьшения расчетной области на боковых поверхностях использовались граничные условия типа «периодичность», которое позволяет передавать информацию без осреднения с одной стороны сектора на другую.
Численное решение основывается на конечно-элементном подходе. Для дискретизации расчетной области используются блочно-структурные неортогональные сетки с встроенными и присоединенными доменами, совпадающими с границами расчетной области. Сетка генерировалась с помощью сеткопостроителя CFXASKgrid (рис. 125). Величина первой ячейки составляла (1...5)-10- м. Общая размерность сетки составляла (5...7)-105 узлов (диффузор q=l,6).
Рассматривалось пространственное течение вязкого турбулентного газа. Расчетные условия соответствовали условиям эксперимента. На входе задавалась полная температура 288 К, на выходе - статическое давление 101325 Па.
На рисунках 126-128 представлена визуализация картин течения в исследуемых диффузорах. В качестве визуализируемого параметра была выбрана абсолютная скорость в размерности (м/с). Приведенные картины течения иллюстрируют процесс торможения потока в исследуемых диффузорах. В выходном сечении диффузора q=l,6 скорость основного потока составила около 25 м/с, диффузора q=l,9 - около 20 м/с, диффузора q=2,2 - около 15 м/с, что находится в соответствии с опытными данными. С увеличением степени расширения диффузора вблизи наружной и внутренней стенок наблюдается существенное замедление течения. Так, в диффузоре q=l,6 скорость потока в пристеночных областях уменьшается от 20 м/с до 10 м/с, а в диффузоре q=2,2 - от 10 м/с до 2 м/с. Следует отметить хорошее совпадение расчетных и экспериментальных данных как для основного течения (готн=0,4...0,6), так и для областей, непосредственно прилегающих к стенкам канала: области внутренней стенки (готн=0...0,1) и области наружной стенки (rOTH=0,9...1).
