Введение к работе
Актуальность работы. Требования уменьшения массы газотурбинного двигателя (ГТД) и повышения его экономичности приводят к необходимости
оптимизации межтурбинных переходных каналов (МПК) (рис.1) на стадии проектирования. Анализ данных о влиянии изменения коэффициентов потерь в элементах проточной части ГТД показывает, что газодинамическое совершенство МПК, а также характеристики потока, выходящего из переходника, оказывают существенное влияние на газодинамические харак-
„ , w _ _ „ теристики турбины низкого давления и
Рис.1. Межтурбинный переходный канал
основные эксплуатационные показатели
двигателя.
Современные авиационные ГТД имеют высокоперепадные одноступенчатые турбины, отличительной особенностью которых является невозможность получения осевого выхода потока из турбины. Таким образом, течение практически во всех МПК происходит при наличии входной закрутки потока.
Несмотря на значительные усилия ряда отечественных и зарубежных научно-исследовательских и конструкторских организаций уровень изученности МПК с закруткой газового потока на входе, остается неполным. В частности, на сегодняшний день информации о влиянии входной закрутки потока при различных способах распределения по радиусу (закрутка по высоте увеличивается, закрутка по высоте уменьшается) на уровень потерь при средней и умеренной диффузорности недостаточно, а для большой диффузорности информация практически отсутствует.
Подобная ситуация требует серьезных материальных затрат на экспериментальные исследования и доводку ГТД с МПК, и замена этих работ расчетно-аналитическими методами на стадии проектирования является весьма актуальной.
Целью работы является исследование влияния переменной по радиусу входной закрутки потока на эффективность межтурбинньгх переходных каналов ГТД.
Для достижения поставленной цели необходимо:
Установить зависимость характеристик потока в МПК от уровня входной закрутки;
Выполнить анализ структуры потока в исследуемом канале с помощью верифицированного численного метода;
3 Выявить условия, определяющие оптимальное профилирование ме
ридиональных образующих МПК. ,, ..... ,,v
Методы исследований. Для решения поставленной задачи используются:
методы экспериментального исследования параметров течения в
каналах; '' /;'
методы численного моделирования, основанные на.решении осред-ненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса, замыкаемых «k-є» - моделью турбулентности;
- методы математической статистики. д
Достоверность и обоснованность результатов исследования:
достигается применением основополагающих законов термогазодинамики лопаточных машин и диффузорных каналов, применением сертифицированных средств измерения, прошедших необходимую поверку и калибровку;
подтверждается совпадением результатов численного расчета с опытными данными и результатами других исследователей. На защиту выносятся:
результаты экспериментального исследования аэродинамических
характеристик модели МПК при переменной по радиусу входной закрутке по
тока; „'..' „._,.,_
рекомендации по профилированию меридиональных образующих МПК в условиях переменной по радиусу входной закрутки потока.
Научная новизна. Новыми научными результатами, положенными в основу предложенного методического подхода к аэродинамическому проектированию МПК, являются:
Экспериментально выявленная, для МПК с коническими меридиональными образующими, зависимость потерь энергии и изменения углов потока от характера распределения по радиусу входной закрутки потока. При этом показано, что при уменьшающейся по радиусу закрутке обнаруживаются минимальные потери, в то время как при увеличивающейся по радиусу закрутке наблюдается постоянный рост потерь по мере увеличения закрутки.
Установленная зависимость минимальных потерь, при уменьшающейся по радиусу входной закрутке потока, вызвана различным (разнонаправленным) изменением потерь во втулочной и периферийной областях МПК. Рост потерь, при увеличивающейся по радиусу входной закрутке потока, объясняется определяющим влиянием втулочных сечений МПК. В случае уменьшающейся по радиусу входной закрутки относительный вклад в общие потери втулочных и периферийных сечений зависит от величины средней по высоте закрутки, что объясняет существование минимальных потерь при закрутке 3...8.
Впервые введение в практику проектирования МПК относительного интегрального параметра пристеночной входной закрутки потока, более детально отражающего влияние пристеночного течения потока на потери при любом распределении по радиусу входной закрутки потока.
Установление соотношения входного и выходного радиусов сопряжения образующих канала, обеспечивающего минимальные потери энергии в канале при различном распределении по радиусу входной закрутки.
Практическая полезность. Результаты исследования положены в основу методологического подхода к проектированию МПК, отличающегося от традиционных:
в обоснованном задании при профилировании лопаток первой ступени ТНД распределения углов потока по высоте канала на выходе из МПК;
в автоматизированном выборе образующих МПК с учетом распределения закрутки потока на входе;
в рациональном выборе радиусов сопряжения меридиональных образующих проточной части, соответствующих минимальным потерям энергии в канале при различном распределении по радиусу входной закрутки.
Реализация результатов. Сформулированные по результатам диссертационной работы рекомендации применяются при проектировании и доводке МПК в ОАО «НПО«САТУРН» г. Рыбинск.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
Всероссийская научно-техническая конференция «Теплофизика технологических процессов» г. Рыбинск, 2005 г.;
международная научно-техническая конференция «Проблемы и перспективы развития двигателестроения», Самара: СГАУ, 2006 г.;
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.
Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы развития транспорта», г. Киров, 2008 г;
Всероссийская научно-техническая конференция молодых ученых, аспирантов и студентов «Авиационная и ракетно-космическая техника», г. Рыбинск, 2008 г;
Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 7 статьях, в том числе две в рекомендованных ВАК изданиях, двух тезисах докладов всероссийских научных конференций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 150 страницах и включает в себя 137 иллюстраций и 4 таблицы. Работа состоит из
введения, пяти глав, выводов и списка используемой литературы из 81 наименования.
