Разработка модели расчета отрывного диффузора камеры сгорания ГТД с целью снижения гидравлических потерь

• Автор: Гурьянова, Марина Михайловна
• Шифр специальности: 05.07.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Рыбинск
• Количество страниц: 135 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава 1. Современные камеры сгорания ГТД
§1.1 Влияние аэродинамики течения в камере сгорания на интегральные
характеристики его рабочего процесса
§ 1.2 Диффузоры современных камер сгорания
§1.3 Влияние режимных и геометрических параметров отрывного диффузора и
профиля проточной части камеры сгорания на ее гидравлику
Выводы по главе
Глава 2. Численное исследование газодинамики отрывного диффузора камеры
сгорания
§2.1 Постановка задач численного моделирования и выбор алгоритма решения
§2.2 Дискретизация расчётной области и построение сеточных моделей для
моделирования рабочего процесса диффузора камеры сгорания
§2.3 Двумерное численное' исследование влияния несимметричности профиля
скорости и начальной турбулентности потока на аэродинамику отрывного
диффузора камеры сгорания
§2.4 Трехмерное численное исследование влияния несимметричности профиля
скорости и начальной турбулентности на аэродинамику отрывного
диффузора камеры сгорания
Выводы по главе
Глава 3. Экспериментальные исследования характеристик отрывного диффузора
§3.1 Методика экспериментальных исследований и схема опытного стенда
§3.2 Метрологическое обеспечение эксперимента и оценка погрешностей
измерений
Выводы по главе
Глава 4. Влияние режимных и геометрических параметров на величину потерь
полного давления
Выводы по главе
Глава 5. Уточнение и апробация расчетной модели отрывного диффузора камеры
сгорания
Выводы по главе
Заключение
Список сокращений и условных обозначений
Список литературы

ВВЕДЕНИЕ
Проблемы авиации и энергетики связаны с разработкой газотурбинных двигателей (ГТД) и силовых установок [1-9]. Оптимизация рабочего процесса камеры сгорания (КС) во многом определяет конечное качество ГТД. К камерам сгорания предъявляется ряд требований, обеспечивающих высокие показатели эффективности, экологичности и надежности в процессе эксплуатации двигателя. Их достижение затруднено из-за сложности и многообразия протекающих в камере газодинамических и термохимических процессов.
Представленные в [1,4,7-10,125-130] результаты исследования КС показывают, что достижение отмеченных требований возможно при последовательном изучении рабочего процесса КС. Динамика и нестационарность протекающих в КС процессов с учетом нелинейной обратной связи не поддается описанию с помощью упрощенных математических моделей, не учитывающих реальные эффекты трехмерности течения, что объясняет отсутствие универсальной методики расчета камер сгорания, а возможность её создания выглядит сомнительной.
Отмеченные особенности работы КС требуют поиска однозначных связей параметров и определяют необходимость изучения отдельных элементарных процессов в рамках принятых допущений.
Представленные в литературе [10-18, 125-129] результаты исследований характеристик КС требуют продолжения попыток единого обобщения известных данных с позиции теории подобия и метода анализа размерностей, позволяющих оценить общую совокупность причинно-следственных связей.
Являясь одним из основных элементов в двигателе, камера сгорания требует организации аэродинамики течения, обеспечивающей условие минимальных потерь давления. Поэтому важным моментом ее проектирования является попытка снижения массы и сокращения длины. Особенность создания КС, заключается в том, что она должна быть вписана в пространство между компрессором и турбиной с учетом конструктивных особенностей последних, так как от них в значительной степени зависит эффективность двигателя в целом. КС должна обеспечивать полное сжигание топлива на всех режимах работы при минимальных потерях полного давления с обеспечением равномерности поля температуры выходящих из нее продуктов сгорания и низкий уровень эмиссии токсичных выбросов.
Диффузор камеры сгорания служит для эффективного преобразования кинетической энергии сжатого в компрессоре воздуха в потенциальную энергию давления при приемлемых гидравлических потерях. Поэтому основным требованием к диффузорным каналам является
обеспечение безотрывного течения в широком диапазоне скорости потока на входе при равномерном распределении параметров на выходе. Требуемая равномерность достигается у гладких конусных каналов при малых углах раскрытия 7 °< 0о<1О°, которые приводят к увеличению длины канала, материалоемкости и веса конструкции. Сокращение осевой длины диффузоров КС за счет увеличения угла раскрытия канала (0ц >10) сопровождается чрезмерным ростом доли гидравлических потерь, вызванных отрывом потока. Если на наземных двигателях применение плавных диффузоров оправдано, то на авиационных ГТД стремление уменьшить длину и вес требует существенно увеличить угол раскрытия диффузора до 40° и более, либо перейти к отрывным диффузорам. Задача конструктора при проектировании диффузоров КС: на основе технико-экономического компромисса между минимально возможной длиной и максимально допустимым углом раскрытия состоит в выборе оптимальной геометрии проточной части, обеспечивающей заданное снижение скорости на допустимой в рамках выделенной главным конструктором длины при обеспечении приемлемого уровня потерь давления, равномерных полях термогазодинамических параметров и устойчивом течении на выходе из диффузора.
Практический и научный интерес состоят в последовательном изучении газодинамической структуры течения и особенностей ее формирования в проточной части КС, эго подчеркивает актуальность исследования, определяющего содержание диссертационной работы.
Актуальность темы исследования. Требования уменьшения массы ГТД и повышения его эффективности обуславливают необходимость проектирования оптимальной геометрии проточной части двигателя с точки зрения минимума гидравлических потерь. При этом основное внимание уделяется профилированию проточной части, в том числе и переходников. Структура потока в каналах достаточно сложна, а характеристики течения: входная неравномерность потока, нестационарность отрывных явлений, начальная турбулентность, оказывают существенное влияние на распределение газодинамических параметров: расход воздуха по кольцевым каналам и охлаждающим поясам отверстий жаровой трубы, перепад давления на фронтовом устройстве, поля скорости и температуры на выходе из камеры сгорания и, в конечном счете, на потери давления в ней.
Степень разработанности темы исследования. В досту пных литературных источниках приведены методики оценки гидравлических потерь в диффузорах камер сгорания, учитывающие влияние основных режимных и геометрических параметров, таких как: степень расширения, осевое и радиальное положения жаровой трубы, расходы через кольцевые каналы. Однако они не содержат необходимый объем данных по совместному влиянию турбулентности и неравномерности потока за компрессором с учетом геометрических и режимных параметров

сопротивления; %тр’ - коэффициент сопротивления трения прямой трубы постоянного сечения, определяемый по формуле Дарси-Вейсбаха тр = %mpL/Dax г, где Dаг - гидравлический диаметр; L — длина участка; £,тр _ коэффициент трения, определяемый по формуле Филоненко-Альтшуля [39] %тр = 1/(1,8-lg(Re)—1,64)2, Re = p-W^-DJv - число Рейнольдса; Wex=W0/nD - средняя
скорость, nD =FgxIFebix = (D^ /Debixf - степень расширения трубы. В случае равномерного
распределения скорости коэффициент 4-м определялся по формуле Борда-Карно £л( =(1-1/Яд)"
В случае распределения скоростей по степенному закону W/Wax = (-y/R)'/n коэффициент Е,м определяется
=l/nD2+aK-2aE/nD, (1.26)
где W и Wax - скорость в данной точке и максимальная скорость по сечению соответственно; ^радиус сечения; у - расстояние от оси трубы; п - показатель степени, изменяемый в пределах от 1 до оо. Величина а к выражает коэффициент Кориолиса и определяется
ак ={2т +1)3 {уп +1)3 / ^Атъ (2т + 3)(т + 3)J, (1-27)
и а.£ - коэффициент Буссинеска
аБ =(2/и + 1)2(цг + 1)/^4ш4(ш + 2)1 (1.28)
При треугольном профиле скорости на входе в трубу с внезапным расширением размер вихревой области, градиенты полного давления и коэффициент ^ больше, чем при равномерном Результаты выполненного в работе [48] численного исследования влияния радиальной и окружной неравномерности скорости и параметров турбулентности за компрессором на гидравлическое сопротивление отрывного диффузора реальной КС авиационного ГТД подтвердили важность учета условий потока на воде при оценке § отрывных диффузоров. На рисунке 1.24 показаны профили относительных значений скорости W = W / W , кинетической энергии турбулентности к = к/кср и скорости ее диссипации ё = в/б по относительной высоте входного сечения h = h! Ятах. Равномерному профилю входных параметров потока соответствуют W = ,k = 1,ё = 1, треугольному профилю скорости - равнобедренный треугольник с высотой = 2. Структура потока и отмеченные факторы влияют на
равномерность распределения полей термогазодинамических параметров на выходе и на аэродинамику КС в целом, поэтому пренебрежение перечисленными факторами не позволит дать качественную оценку источников гидравлических потерь и построить адекватную методику расчета параметров камеры.