CC BY
116
УДК 621.452.3
АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ТЕЧЕНИЯ И ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ В КАМЕРАХ СГОРАНИЯ МАЛОРАЗМЕРНЫХ ГТД
А.М. ЛАНСКИЙ, С.В. ЛУКАЧЕВ, С.Г. МАТВЕЕВ
В статье изложены результаты исследований аэродинамической структуры течения и гидравлических потерь в камерах сгорания малоразмерных ГТД (МГТД). Представлена физическая модель обтекания данного типа камер сгорания и влияние конструктивных и режимных параметров на их гидравлическое сопротивление.
Ключевые слова: камера сгорания, аэродинамическая структура, малоразмерные ГТД, физическая модель, гидравлическое сопротивление.
Знания об аэродинамической структуре течения в камерах сгорания ГТД имеют важное значение при их проектировании. Правильное сочетание решений в области аэродинамической структуры течения, гидравлических потерь и подачи топлива в первичную зону позволяют сократить сроки проектирования и их доводки [1].
Аэродинамическая картина обтекания прямоточной камеры сгорания МГТД
Если в большинстве существующих КС обтекание жаровой трубы, как правило, «симметричное», то в малоразмерных ГТД из-за различных схемных решений - более сложное, что приводит к дополнительным потерям полного давления во внутреннем кольцевом канале и, следовательно, к разнице статических давлений на стенках жаровой трубы (рис. 1, 2).
а
Рис. 1. Визуализация течения в различных схемах камер сгорания МГТД: а - течение в струйно-канальном диффузоре диагональной КС МГТД; б - течение в прямоточной КС МГТД; в - течение в противоточной КС МГТД
Поэтому для получения требуемого уровня выходных характеристик КС МГТД целесообразно изучить и установить количественные зависимости между параметрами, характеризующими аэродинамическую структуру течения и конструкцию жаровой трубы.
На рис. 2 представлена схема прямоточной камеры сгорания МГТД и результаты аэродинамических измерений, видно, что потери полного давления воздуха во внутреннем канале в три раза больше, чем в наружном.
Распределение воздуха между наружным и внутренним кольцевыми каналами имеет сложный характер (рис. 3).
наружный канал
Рис. 2. Распределение воздуха в кольцевых каналах и жаровой трубе прямоточной КС
Рис. 4. Влияние раскрытия жаровой трубы на характеристики КС двигателя МД-120
С уменьшением раскрытия появляется минимальный уровень окружной и радиальной 1,07... 1,04).
н/сГи
наружный канал Ч О _
с >
/внуп гренний сан ал
!,%
¥0=1¥0/¥к=1,\6 Д47
Тк=29 «к=~ 5 К внутренний канал £
^,/наружный канал
^Ґ'
0 О,] 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 Лк
Рис. 3. Зависимость распределения воздуха по кольцевым каналам от приведенной скорости на входе в КС
Расход воздуха, поступающего в наружный канал, зависит от приведенной скорости потока на выходе из компрессора (Хк), в то время как через внутренний смеситель остается практически постоянным. Это объясняется тем, что увеличиваются потери давления на поворот потока во внутренний канал, которые составляют до 40% от общих потерь полного давления (ск). Изменение раскрытия жаровой трубы (ХЕ0/Ек), в данном случае за счет
уменьшения площади отверстий смесителя на наружной обечайке, приводит к следующему характеру ее обтекания (рис. 4).
При (Х^Я^)»1,34 отличие в расходах
воздуха через внутренний и наружный смесители составляет (Онв см - Овнв см) ~ 30%.
Эта область характеризуется высоким уровнем неравномерности выходного поля
температур (0^тах » 0,35 ^ 0,37; 0^“ » 1,17)
(рис. 5), наличием нагара на внутренней стенке жаровой трубы и низким уровнем полноты сгорания пг. область (ХБ0/Рк) ~1,1...1,2), где достигается
неравномерности (0Ф
0,22-0,26; ©ь
В этом диапазоне (лР0/Рк) -0,9.0,10) является характерным высокий уровень окружной
неравномерности
(0фтах » 0,32 + 0,37; 0^ » 1,05к 1,07)
и недостаточным запасом ак по «бедной» границе устойчивой работы.
Приведенные данные показали, что наружная обечайка КС МГТД «работает» под избыточным перепадом давления и оказывает решающее влияние на уровень заявленных характеристик (это справедливо для прямоточных, для противоточных камер сгорания МГТД).
Влияние конструктивных и режимных параметров на гидравлическое сопротивление малоразмерных ГТД
Известно, что при заданной длине камеры сгорания гидравлические потери в ней определяются следующими геометрическими параметрами EF0, ЕБкк, Бк, Бж и степенью подогрева газа. Повышение потерь в жаровой трубе путем уменьшения эффективной площади отверстий является инструментом в руках конструктора для обеспечения требуемых характеристик камеры
_ / г\ max г\ max _ \
сгорания (Ок , 0ф , 0h , Пг).
Поэтому еще на стадии эскизного
проектирования необходимо располагать интегральной моделью, позволяющей с достаточной точностью оценивать потери полного давления (^к или ок).
Сравнение расчетных и экспериментальных данных по (или ок) показывает, что известные модели, применительно к камерам сгорания малоразмерных ГТД дают погрешность в определении гидравлических потерь до 150.200%.
На рис. 6 представлены результаты
экспериментальных исследований зависимости
коэффициента гидравлических потерь от относительной площади (ЕБ0/Рк). Видно, что наибольшее влияние на ^к оказывает изменение площади отверстий наружного смесителя.
Обычно при испытаниях определяют суммарные потери между входным и выходным сечением камеры. Они складываются из потерь в диффузоре (расширение потока и его поворот) и жаровой трубе (обусловленные смешением
потоков и подводом тепла)
^к= + ^т+^о, где §г+^о= ^ж.
4
0,9 1 1,1 1,2 1,3 ХР0/РК
Рис. 5. Влияние площади раскрытия жаровой трубы на характеристики выходного поля температуры газа КС двигателя МД-120 (Т*к = 428К; ак = 4,5;
Рфр = 0,147; Хк = 0,25)
-И- наружный смеситель; -о- внутренний смеситель; -А- фронтовое устройство
Рис. 6. Зависимость ^к от степени раскрытия жаровой трубы КС двигателя МД-120
В табл. 1 представлена уточненная модель расчета коэффициента гидравлического сопротивления для геометрически подобных камер сгорания малоразмерных ГТД, полученная на основе анализа и обобщения имеющихся экспериментальных данных.
Таблица 1
Модель расчета коэффициента гидравлического сопротивления в КС МГТД
^¡/Двигатель МД-120 МД-45 ВД-100
Г і ^ Х Д = к1 к 2 1 1 с•ПД) при пд >2,5; прин 2 1 ^ • РФр Т7 / Т7 , где с = 1 + ,П д = ^^ т Р0 имаем пд =2,5; Яе > 3500
кі = 1,43 к1 = 1,35 к1 = 1,2
к2 =1 к2 = 1 к2 = 1,3
с = 1,05 С=1+ тРфр т р0 с = 1
Р = Р н + її вн А кк А кк 1 А кк Р = Р н + її вн кк кк кк АКК Акк
^т ХТ = кДТ к ДТ = 26,94 • ехр(-10 Г її ^2 гк ч Рж ; 12 Гт * ^ Г 1 Т * Ч 1 к ) /Рж)); Рк/ Тж=0,12-0,3
Хо = 0.974 • Г Г Р ^ 1 0.008 • к Ч т р0) \ Г Б ^2
Г ЧЧ 1 - 0.68 • ехр г Б ^ кк ч т • Б0 )А 1 т Р) )
^к= ^д+кБ(^о+ §т)
кР = 0,58 • ехр • •( 0,2 • х + 0,1 • х2 + 0,06 • х3) При х>1, кР = 0,83 0,85 кР = 1 кР = 1
°к = Хк, Є(і к )12к , к +1 при к=1,4 (воздух)
Коэффициенты к1 и к2 в формуле учитывают неравномерность поля скорости на входе, полноту «удара», сопротивление трения и поворот потока в диффузоре, степень влияния площади фронтового устройства и отверстий внутренней обечайки камеры сгорания на коэффициент гидравлических потерь.
Условно, в качестве диффузора принимается участок от выходной кромки спрямляющего аппарата центробежного компрессора до миделевого сечения в кольцевых каналах камеры сгорания.
На рис. 7 представлены результаты расчетных и экспериментальных исследований по влиянию отношения (ХЕ0/РК) на ^к, а на рис. 8 - распределение потерь полного давления по
элементам жаровой трубы. Погрешность определения ^к для геометрически подобных камер не превышает ±5,5%.
0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 1Р0/РК
Рис. 7. Зависимость ^к от отношения для исследуемых вариантов КС МГТД:
-о- КС двигателя МД-120;
-•- КС двигателя МД-45;
-х- КС двигателя ВД-100 (-о- , -•- , -х- ) - эксперимент
Д^О Д^О
Д^ Д^‘
МД-120 МД-45 ВД-100
Рис. 8. Распределение ^к для КС МГТД:
МД-120: ^ = 1,76, Ок = 6,25%, Хк = 0,25;
МД-45: ^к = 1,65, ок = 4,56%, Хк = 0,22;
ВД-100: \к = 2,7, Ок = 3,51%, Х = 0,15.
Сравнение экспериментальных данных по ^к КС полноразмерных и малоразмерных ГТД (рис. 9) показывает, что последние имеют более высокое соотношение ^ж/ ^к.
Ёж&с
0,8
0,6
0,4
0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 F^/IFq
Рис. 9. Сравнение коэффициента гидравлического сопротивления для КС различной размерности:
-•- полноразмерная КС (ПКС);
-о- КС двигателя МД-120;
-■- КС двигателя МД-45;
-▼- КС двигателя ВД-100;
-0- КС изделия 83
С физической точки зрения это можно объяснить тем, что для получения заявленных характеристик по полям температур и полноте сгорания необходимо затратить дополнительное количество энергии на смешение и выравнивание сносящего потока и струй вторичного воздуха по сравнению с полноразмерными камерами.
Заключение
Представленные выше исследования аэродинамической структуры течения в кольцевых каналах и жаровой трубе камер сгорания малоразмерных ГТД позволили выявить некоторые новые закономерности, позволяющие целенаправленно совершенствовать характеристики рабочего процесса и разработать уточненную интегральную модель расчета гидравлического сопротивления для геометрически подобных камер сгорания с расходом.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ланский А.М. Рабочий процесс камер сгорания малоразмерных ГТД / А.М. Ланский, С.В. Лукачев, С.Г. Матвеев. - Самара: Изд-во СНЦ РАН, 2009.
AERODYNAMIC STRUCTURE OF THE CURRENT AND HYDRAULIC LOSSES IN CHAMBERS OF COMBUSTION OF LITTLESIZE GTD
Lansky A.M., Lukachev S.V., Matveev S.G.
In the article the results of researches of aerodynamic structure of flow and hydraulic losses are expounded in combustion of littlesize GTD chambers (MGTD). The physical model of flowing around of this type of combustion chambers and influence is presented structural and parameters on their hydraulic resistance.
Key words: combustion chamber, aerodynamic structure, littlesize GTD, physical model, hydraulic resistance.
Сведения об авторах
Ланский Анатолий Михайлович, 1950 г.р., окончил КАИ им. С.П. Королева (1975), кандидат технических наук, доцент кафедры теплотехники и тепловых двигателей Куйбышевского авиационного института, автор более 70 научных работ, область научных интересов - физика и моделирование процесса горения в камерах сгорания ГТД.
Лукачев Сергей Викторович, 1949 г.р., окончил КАИ им. С.П. Королева (1973), доктор технических наук, профессор, заслуженный работник высшей школы, заведующий кафедрой теплотехники и тепловых двигателей Куйбышевского авиационного института, автор более 150 научных работ, область научных интересов - физика и моделирование процесса горения в камерах сгорания ГТД.
Матвеев Сергей Геннадьевич, 1959 г.р., окончил КАИ им. С.П. Королева (1982), кандидат технических наук, доцент кафедры теплотехники и тепловых двигателей Куйбышевского авиационного института, автор более 70 научных работ, область научных интересов - физика и моделирование процесса горения в камерах сгорания ГТД.
