CC BY
256
Том XL
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ 2009
№ б
УДК 629.7.015.3.036:533.695.7
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СОПЛА ТРДД С РЕГУЛИРУЕМЫМИ ШЕВРОНАМИ
А. А. АЛЕКСЕНЦЕВ, Д. Б. БЕКУРИН, Е. В. ВЛАСОВ, А. А. ИНОЗЕМЦЕВ,
Г. Н. ЛАВРУХИН, А. П. ПАДУЧЕВ, О. А. УМПЕЛЕВА
Представлены результаты трехмерных аэродинамических расчетов по оценке влияния угла заглубления шевронов сопла ТРД в поток на тяговые характеристики двигателя. Выбран оптимальный угол заглубления, при котором шевроны оказывают наименьшее влияние на потери тяги. Предложена схема управления углом заглубления при помощи кольца из материала с памятью формы — нитинола. Приведены результаты исследований аэрогазодинами-ческих и акустических характеристик сопла с шевронами.
Ключевые слова: трехмерный расчет, эксперимент, сопло, шеврон, струя, потери тяги, двигатель, угол заглубления шеврона, оптимизация, шум, материалы с памятью формы.
В настоящее время для снижения шума реактивной струи ТРД широкое распространение получили шевроны, устанавливаемые на кромке сопла (рис. 1) и обладающие достаточно высокой акустической эффективностью при относительной простоте конструкции. Как известно, снижение шума струи с помощью шевронов основано на интенсификации процесса смешения внешнего потока и струи сопла, при этом, как показывают эксперименты [1], происходит трансформация спектра шума струи — уровень шума на низких частотах снижается, а на высоких — растет. Чем больше угол заглубления а шевронов в сопло, тем сильнее трансформируется спектр шума струи, поэтому при больших углах заглубления шевронов отрицательный эффект увеличения шума на высоких частотах может перекрыть положительный эффект снижения шума на низких частотах, в результате чего суммарный уровень шума сопла с шевронами будет выше, чем без шевронов. Это означает, что для каждой конфигурации шевронов существует оптимальный угол заглубления (аопт ), при котором снижение шума струи на выбранном режиме максимально.
Воздействуя на струю, шевроны приводят к изменению тяговых характеристик сопла. При этом в зависимости от формы сопла и шевронов существует оптимальный угол заглубления шевронов в сопло (аопт )т, при котором потери тяги сопла с шевронами на крейсерском режиме минимальны. В общем случае оптимальные акустический и тяговый углы не равны: (аопт )ак *(аопт)т, поскольку даже незначительное отклонение угла установки шевронов от
(аопт )т в полете может привести к существенному ухудшению экономичности двигателя. В связи с этим на двигателестроительных фирмах проводятся исследования по разработке схем управления углами отклонения шевронов в полете. Это позволит при взлете самолета устанавливать угол (аопт )ак для максимального снижения шума, а в полете — (аопт )т.
Наиболее простой и перспективной схемой управления шевронами на сегодня является схема с использованием материала с памятью формы, например, никелида титана TiNi (нитинол). Компании Boeing, General Electric, Goodrich Aerospace, NASA в рамках программы Quit Technologies Demonstrator 2 (QTD2) с помощью использования шевронов с памятью формы на сопле
Рис. 1. Шевроны с приводом из нитинола
самолета Boeing 777-300ER (см. рис. 1) смогли снизить уровень шума на взлете на 3—4 дБ и улучшить удельный расход топлива в условиях крейсерского полета на 1% [2—4].
Таким образом, при проектировании схемы управления шевронами необходимо знать оба угла: (аопт )ак и (аопт )т. Значение угла (аопт )ак для конкретного двигателя с шевронами может быть определено по результатам натурных или модельных акустических испытаний. Что касается угла (аопт )т, то он может быть определен как экспериментально, так и с помощью трехмерных
расчетов обтекания сопла [5].
В данной статье представлены результаты расчетов обтекания шевронов треугольной формы, установленных на сопле двигателя со смешением (с кольцевым смесителем) с различными углами заглубления шевронов а, на основании которых определен угол (аопт )т.
Предлагается и исследуется схема управления шевронами с помощью кольца из нитинола, которое при изменении температуры изменяет свой диаметр («вспоминает» свою форму) и, соответственно, изменяет углы заглубления шевронов.
Рассматривалась схема сопла с шевронами треугольной формы. Основания шевронов были расположены практически вплотную друг к другу на срезе сопла.
Расчетная область выбиралась из условия периодичности расположения шевронов. Ее начало удалено вверх по потоку, как показано на рис. 2, конец находится на удалении ~7 диаметров от среза сопла, радиус составлял ~8 радиусов сопла. Расчетная сетка содержала ~1 млн узлов. Все расчеты выполнялись для режима, близкого к крейсерскому полету самолета.
В качестве рабочей среды везде был задан идеальный газ, близкий по характеристикам к воздуху: газовая постоянная ^ = 287.13 Дж/(кг • К); коэффициент адиабаты к = 1.4003.
Для анализа различных вариантов сопел использовался коэффициент потерь тяги двигателя АР (%
AP =
_Р ^
рид У
100,
где P — действительная (измеренная или расчетная) тяга двигателя (компонента тяги, направленная вдоль оси двигателя); Рид = (д с - GEV00 cos б) — идеальная тяга двигателя, определенная по реальному расходу газа через сопло, здесь Рид с = GcV — идеальная тяга сопла — тяга, которую создавало бы идеальное сопло (где газ расширяется до атмосферного давления рте идеально, без потерь) при таких же параметрах на входе в сопло (*, Т* и Gc), как в исследуемом реальном сопле; Уид = якрАид = 2kRгT* j(к +1) Аид — идеальная скорость истечения газа из сопла; к = 1.4003 — коэффициент адиабаты; Rг = 287.13 — газовая постоянная; Аид — идеальная при-
к
\ (і к -1,2 у-ї р~
веденная скорость истечения — определяется из уравнения ид ) = I 1---------------Аид I =——;
v к +1 У р*
Ge — расход воздуха на входе в двигатель; V„ — скорость полета; б — угол между направлением набегающего потока V„ и осью двигателя. Результаты расчетов приведены на рис. 3.
Среди всех исследованных вариантов сопел с шевронами минимальные потери тяги имеет сопло с углом заглубления а = 0 (рис. 4), потери всего на 0.0б% больше, чем у исходного сопла без шевронов. Таким образом, оптимальный тяговый угол для данного сопла (аопт )т = 0.
С учетом того, что оптимальные, с точки зрения глушения шума, углы заглубления шевронов составляют б—12° [5], следует, что потери тяги по расчету при установке шевронов с углом а = б° примерно на 10% выше, чем с соплом без шевронов (см. рис. 3).
Для снижения потерь тяги в полете предлагается следующая схема управления углами заглубления шевронов с помощью кольца из материала с памятью формы — нитинола. Использование кольца для обеспечения жесткости и связности всей конструкции шевронов было предложено еще в патенте [7] 1995 г. (рис. 5). Кольцо крепится к каждому шеврону. Принцип работы
16
/
/ /
/
/ У
/
/
/ /
/ «
1
Сопло с шевронами
Сопло с шевронами и кольцом
Сопло без шевронов
а, град
О 2 4 6 8 10 12 14
Рис. 3. Изменение коэффициента потерь тяги двигателя от угла заглубления шевронов
Рис. 4. Сопло с шевронами а = 0
Рис. 5. Использование кольца для жесткости и связности конструкции шевронов из патента № 2289921 [7]
Рис. 6. Схема течения: а — течение вокруг кольца обтекаемой формы поперечного сечения (ширина кольца — 15 мм, максимальная толщина — 1.5 мм, наружная поверхность выполнена в виде дуги окружности); б — течение вокруг кольца прямоугольной формы поперечного сечения
(10 X 2 мм)
предлагаемой схемы заключается в следующем. Шевроны на сопле устанавливаются так, что в свободном состоянии без кольца их угол заглубления близок к нулю а = 0. Исходная длина кольца из нитинола подбирается таким образом, что при надевании его на шевроны на взлетном режиме, с точки зрения шумоглушения, угол заглубления становится равен оптимальному углу. На крейсерском режиме температура кольца понижается примерно до 0°С, при этом модуль упругости нитинола за счет перехода из аустенитного в мартенситное состояние уменьшается в 2—3 раза [6]. В результате кольцо позволяет шевронам разгибаться до а = 0 за счет их собственной упругости, что обеспечивает минимальные потери тяги на крейсерском режиме. На режиме посадки кольцо нагревается, и в нем происходит обратный переход из мартенситного в аустенитное состояние с повышением модуля упругости нитинола. В результате кольцо «вспоминает» свою форму, а именно — исходную длину, укорачивается и отклоняет шевроны внутрь струи до оптимального угла заглубления.
Согласно проведенным в данной работе расчетам потери тяги в варианте с кольцом увеличились всего на 0.15% по сравнению с вариантом сопла без шевронов и на 0.09% по сравнению с соплом с шевронами без кольца, т. е. кольцо приводит к увеличению потерь тяги примерно на 0.1%.
Дополнительные потери тяги, связанные с установкой кольца, существенно зависят от его формы. Так, потери тяги в варианте с кольцом прямоугольного поперечного сечения (рис. 6, б) при оптимальном угле заглубления на 2.11% больше, чем в варианте с кольцом обтекаемой формы (рис. 6, а) с а = 0.
Для оценки усилий, необходимых для отклонения шевронов на оптимальный угол, были выполнены специальные расчеты. Шеврон представлял собой изогнутый лист (рис. 7). Передний торец шеврона был жестко закреплен, а в области контакта шеврона с кольцом задавалась равно-распределенная по площади нагрузка. В зависимости от приложенной нагрузки определялись смещение кончика шеврона S и эквивалентный угол заглубления аэ (рис. 8). На рис. 9 приведена полученная по расчету картина деформаций и напряжений шеврона.
Для обеспечения заглубления рассмотренного шеврона на оптимальный угол необходимо приложить некое усилие. Снижение величины этого усилия может быть достигнуто уменьшением толщины шеврона. Для этого, а также для определения геометрических параметров кольца из нитинола, обеспечивающих требуемое усилие, необходимо проведение расчетов шевронов различной толщины вместе с кольцом из нитинола.
Рис. 7. Расчетная схема шеврона
Нагрузка Р
Рис. 8. Определение смещения кончика шеврона S и эквивалентного угла заглубления аэ под действием нагрузки Р
а) б)
Рис. 9. Расчет шеврона на прочность: а — деформация шеврона (м); б — спектр напряжений в шевроне
Для обеспечения оптимального угла заглубления шеврона смещение S должно быть порядка Ьtg(аэ), т. е. кольцо из нитинола должно удлиняться на величину 2п[(Я + S) — Я] = 2пБ, что
для рассматриваемого в настоящей работе случая составляет примерно 4% от начальной длины кольца. Обычные металлы не способны выдерживать такие деформации. Нитинол благодаря свойству сверхпластичности способен восстанавливать свою форму даже при деформациях порядка 10% [6]. Однако для проверки работоспособности привода в течение заданного ресурса необходимо проведение специальных циклических испытаний.
В заключение следует сказать о преимуществах и недостатках данной схемы управления шевронами по сравнению с первоначальным вариантом, в котором «управление» шевронами осуществлялось при помощи пластин из нитинола. В первоначальном варианте привод из нити-нола выполняется в виде пластин, установленных внутри шеврона (см. рис. 1).
Основным преимуществом первоначального варианта по сравнению с предлагаемой схемой с кольцом является отсутствие дополнительного аэродинамического сопротивления от установки привода.
К недостаткам первоначального варианта можно отнести рассогласование углов заглубления шевронов в процессе эксплуатации (так как каждый привод выполняется и работает индивидуально) и отсутствие возможности настройки схемы. В схеме с кольцом все шевроны и привод работают согласованно друг с другом, что исключает возможность рассогласования углов в процессе эксплуатации. Кроме этого, кольцо придает дополнительную жесткость всей конструкции.
По массе обе схемы можно считать примерно одинаковыми. В предлагаемой схеме масса кольца может быть больше суммарной массы пластин из нитинола в первоначальном варианте, но за счет более жесткой конструкции в схеме с кольцом можно сделать шевроны более тонкими.
Одновременно с расчетными исследованиями проводился комплекс экспериментальных исследований по оценке отклоняемых шевронов на снижение уровня шума, на величину угла отклонения оси струи и на величину потерь эффективной тяги сопла.
Следует отметить, что комплексное решение отмеченных выше задач привело к необходимости выбора оптимальной геометрии шевронов, их соответствующего числа и группировки шевронов на срезе сопла, оптимального угла отклонения шевронов в реактивную струю и т. д.
При этом комплексные экспериментальные исследования моделей сопел с шевронами включали определение аэрогазодинамических и акустических характеристик на специальных установках ЦАГИ.
Иллюстрация результатов экспериментальных исследований этих вопросов представлена на рис. 10. Принципиально важными на рисунке являются следующие результаты:
Рис. 10. Обобщение результатов исследования сопла с шевронами
расположение шевронов по контуру среза сопла позволяет снизить уровень шума примерно на 1 —1.5 дБ, тогда как отклонение шевронов в струю существенно увеличивает смешение ее с окружающим воздухом и снижает шум примерно на 7 дБ;
при этом соответствующая группировка отклоняемых шевронов позволяет обеспечить отклонение оси струи (TVC) двигателя примерно на 12°, что позволяет при соответствующей реализации повысить устойчивость и управляемость самолета при взлете и посадке;
цена отклонения шевронов для решения отмеченных выше вопросов с точки зрения аэрога-зодинамической эффективности эквивалентна увеличению потерь эффективной тяги сопла примерно на 3% идеальной тяги (~ 9 +10% потерь тяги двигателя), что является неприемлемым при наличии нерегулируемых шевронов;
использование управления положением шевронов при помощи материалов с памятью формы позволяет получить максимальный эффект от отклонения шевронов на режиме взлета/посадки и свести к минимуму потери тяги на режиме крейсерского полета самолетов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Экспериментальное исследование акустической эффективности двухконтурных шевронных сопел двигателей типа ТРДД-2005С // Научно-технический отчет ЦИАМ,
№ 700-4413. — М., 2004.
2. Craig Larry. Boeing noise technology. Los Angeles World Airports Community Noise Roundtable, 13 September 2006, Boeing.
3. Eury Serge. Research and technology at snecma to ensure sustained development of air transportation // AIAA / AAAF Aircraft Noise and Emissions Reduction Symposium. — May 24—26, 2005, Monterey, California, Snecma.
4. Gliebe Philip, Dodds Will. Practical technolog solutions for future aircraft engine noise and emissions reduction // AIAA / AAAF Aircraft Noise and Emissions Reduction Symposium. — May 24—26, 2005, Monterey, California GE Transportation Aircraft Engines.
5. БраилкоИ. А., Крашенинникове. Ю. Исследование аэродинамических характеристик шевронных сопел на основе численного расчета течения // МЖГ. 2005. № 2.
6. S t o e c k e l D. The shape memory effect — phenomenon, alloys and applications. —
In: Proceedings: Shape Memory Alloys for Power Systems EPRI, 1995.
7. Nozzle for turbofan aeroengines // Патент № 2289921. 06.12.1995.
Рукопись поступила 1/IX 2009 г.
