CC BY
56
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Эксплуатация воздушного транспорта
УДК 621.45.00.112.03.54-225
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ И ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ В КАНАЛАХ ЛЕПЕСТКОВЫХ СМЕСИТЕЛЕЙ ТРДД
В.В. МЕДВЕДЕВ, Н.Н. ПОНОМАРЕВ Статья представлена доктором технических наук, профессором Пивоваровым В.А.
Представлены результаты экспериментального исследования влияния основных геометрических и режимных параметров на течение и потери полного давления в каналах лепестковых смесителей ТРДДсм. Оценены предельные значения углов раскрытия каналов лепестков смесителей по безотрывному течению в них. Исследовано влияние профилировки центрального обтекателя, подрезов и вырезов боковых стенок смесителей на гидравлические потери. Выполнен сравнительный анализ данных по потерям в лепестковых и кольцевых смесителях.
Введение
Одним из путей улучшения эксплуатационных характеристик ТРДД является использование схемы со смешением потоков внутреннего и наружного контуров. Основная цель применения смесителя в ТРДД - использовать смешение потоков наружного и внутреннего контуров как средства повышения тяги двигателя и снижения уровня шума.
Минимизация гидравлических потерь в смесительном устройстве является очень важной задачей, т.к. повышенный уровень потерь может в итоге превзойти положительный эффект от смешения. В настоящее время ввиду сложного трехмерного характера течения в каналах смесителя надежное определение потерь в них может быть осуществлено только экспериментально.
1. Краткая характеристика объектов исследования
Выполненный обзор известных работ по вопросам смешения потоков в ТРДДсм показал, что наиболее часто используемое в экспериментальных исследованиях число лепестков смесителя 2=12.. .18. Смесители большинства отечественных ТРДДсм имеют 2=18. Поэтому на первом этапе эксперимента (осесимметричная модель) было выбрано 2=12, а на втором (секторная модель) 2=18.
Схема и основные параметры 12-лепестковых смесителей представлены на рис. 1 и в табл. 1, где «см=псм2/«смь псм1=^3.1/^1; псм2=^32/^2. Величина соотношения площадей на срезе всех 12-лепестковых смесителей и кольцевого смесителя 1.3 ^3=^3.2/^3.1»0,9, т.е. исследовались компоновки смесительных устройств, близких к компоновкам ТРДДсм со средней степенью двухконтурности т.
Рис. 1. Схема и основные параметры 12-лепестковых смесителей
Таблица 1
Основные геометрические характеристики 12-лепестковых смесителей
№ смесит. Число лепестков а,° псм псм1 псм2
4.1 12 20 0,854 0,781 1,261 0,984
4.2 12 26 0,822 0,751 1,283 0,964
4.3 12 32 0,750 0,685 1,336 0,916
4.4 12 40 0,890 0,813 1,237 1,006
1.3 0 - 0,968 0,885 1,188 1,051
Объектами исследования на втором этапе были 18-лепестковые смесители. На данном этапе эксперимента для всех смесителей величина ¥3 превосходила 1,6, т.е. исследовались смесители двигателей с большой степенью двухконтурности. Исходным смесителем был смеситель 1. Углы раскрытия лепестков для данного смесителя составляли соответственно для наружного и внутреннего контуров ан»23° и ан»17°. Для сравнения был также испытан кольцевой смеситель, имеющий на срезе такие же соотношения площадей, как и смеситель 1.
По своим геометрическим характеристикам смеситель 2 близок к смесителю двигателя Е3, результаты исследований которого опубликованы в [1] и были использованы для сравнительных оценок. Углы раскрытия лепестков для смесителя 2 составляли соответственно для наружного и внутреннего контуров а» 14° и ан»26°.
Вид сосстороны сопла
Рис. 2. Схема модели исследования 18-лепестковых смесителей
Таблица 2
Основные геометрические характеристики 18-лепестковых смесителей
№ смесит. Кок псм псм1 псм2 ^леп/^3.1 ^карм/^3.2
1.0 3 2,604 0,92 1,0 0,92 0,76 0,29
2.0 3 1,69 0,597 1,24 0,74 0,64 0,65
2.0 3.1 1,98 0,698 1,06 0,74 0,85 0,65
2.0 3.2 2,23 0,787 0,94 0,74 0,91 0,65
Для исследованных на втором этапе смесителей некоторые параметры были близкими:
- относительная высота смесителей: НсмНсм » 0,72;
- суммарный угол раскрытия лепестка: а= авн + ан » 40° .
Отметим, что несмотря на близкие значения а, углы раскрытия лепестков и карманов смесителей 1 и 2 отличались существенно. Другие геометрические характеристики смесителей представлены в табл. 2.
2. Результаты экспериментального исследования
2.1. Течение и гидравлические потери в каналах 12-лепестковых смесителей
Для анализа течения в каналах 12-лепестковых смесителей используем данные измерений полей полного давления в выходном сечении, а также картины визуализации (рис. 3,4).
Картины визуализации показали, что течение в каналах смесителей 4.1_4.3 безотрывное, а
отрыв потока имеет место только в каналах смесителя 4.4. Зона отрыва в лепестке внутреннего контура несколько больше, чем в кармане наружного контура, что обусловлено диффузорным типом канала внутреннего контура (псм1~1,24), в то время как в наружном контуре канал смесителя был примерно постоянной площади по длине (псм2~1,0). Но в целом размеры зон отрыва в лепестке и кармане невелики, а сами отрывы локализованы внутри каналов, и их границы не выходят на срез смесителя. Каналы смесителей 4.1_4.4 имеют цилиндрические внутреннюю и наружную стенки. Следовательно, для таких каналов значения суммарного угла раскрытия лепестка а~35_38° являются предельными по безотрывному течению.
Рис. 3. Визуализация течения в наружном и внутреннем каналах смесителя 4.1
Рис. 4. Визуализация течения в наружном и внутреннем каналах смесителя 4.4
Картины визуализации свидетельствуют также о существенной окружной и радиальной деформации линий тока в каналах смесителя, в результате чего общая картина течения в каналах значительно усложняется по сравнению, например, с течением в обычном кольцевом канале.
Представленные на рис. 5 изобары полного давления, измеренного на срезе смесителя, имеют характерные зоны пониженных значений в периферийных участках каналов смесителя, а также у кока и наружной стенки. В этих участках пониженного давления в результате окружных и радиальных перетеканий формируются зоны вторичных течений (рис. 5), которые приводят к повышенному уровню гидравлических потерь в каналах смесителя.
Рис. 5. Изобары полного давления и картина течения потока на срезе смесителя 4.1
—* —* —* —* —*
р /=0,85;
1 - р ,=0,99; 2 - р /=0,975; 3 - р /=0,95; 4 - р /=0,90; 5 -
а) 1и=0,56; 1-21=0,35; о см1=0,987; о см2=0,992;
б) 1-11=0,56; 121=0,68; о*см1=0,989; о*см2=0,964.
Как видно из рис. 6, возрастание углов раскрытия лепестка авн он»10...25° при прочих равных условиях сопровождается снижением потерь в их каналах. Но при дальнейшем увеличении углов раскрытия данный эффект ограничивается появлением и развитием отрывных зон в каналах смесителя.
8...200 и кармана
0с*
0,99
0,98
0с
0,99
0,98
,0
а
о-
15 0(в
,0 6 и
15 С(н
Рис. 6. Зависимости <тсм1 от <%н (а) и с* см2 от ан (б) при 11ь»0,5; 12ь»0,5 смесители О - 4.1; А - 4.2; V - 4.3; О - 4.4
2.2. Течение и гидравлические потери в каналах 18-лепестковых смесителей
Картины визуализации течения в каналах смесителя 4.1 показывают, что отрыва потока в карманах и лепестках не наблюдается. Отрывы имеют место в обоих контурах в районе крепления смесителя к разделителю. На срезе смесителя у вершин лепестков и карманов расположены зоны пониженных скоростей и давлений, что качественно согласуется с результатами измерений параметров потока на срезе 12-лепестковых смесителей.
На рис. 7 показано сравнение потерь в каналах кольцевого и лепестковых смесителей 1.0 и 2.0 соответственно для наружного и внутреннего контуров. В данной серии экспериментов число калибров для кольцевых и лепестковых смесителей было примерно одинаковым, что привело к большему различию потерь в их каналах. Тот факт, что в гидравлическом отношении каналы лепесткового смесителя хуже каналов кольцевого, объясняется дополнительными затратами энергии на деформацию и изменение направления линий тока при втекании в карманы (лепестки), трение по возросшей поверхности смесителя и наличие существенной радиальной составляющей скорости в каналах вплоть до среза смесителя. В результате, например, при 1@0,5
потери полного давления в лепестковом смесителе 1.0 превышают потери в кольцевом по наружному контуру на 0,35%, а по внутреннему контуру на 0,85%.
0,99
0,98
0,97
0,96
• _ V-
ч
6 • |\
0,2 0,3
0,4
0,5 0,6 Х1
Рис. 7. Зависимости а см2 от 12ь (а) и а смі от 11ь (б) смесители: V - кольцевой; ▼ - 1.0; А - 1.1; • - 2.0; кок 3.
На рис. 8 показана картина визуализации течения в каналах внутреннего и наружного контуров смесителя 2.0 с коком 3. По данным рис. 8 можно заключить, что в лепестке внутреннего контура имеет место отрыв потока протяженностью более половины лепестка. Как подтверждение этому у вершины лепестка внутреннего контура наблюдается область пониженных значений изолиний приведенных скоростей (рис. 9а). Наличие отрыва потока крайне нежелательно, т.к. зона рециркуляционного течения снижает степень проникновения потока внутреннего контура в поток наружного, уменьшая полноту смешения и увеличивая гидравлические потери в смесительном устройстве. В канале наружного контура смесителя течение безотрывное (рис. 8).
Установка коков 3.1 и 3.2 практически ликвидирует отрыв в лепестке внутреннего контура. Остается только небольшая замкнутая зона рециркуляционного течения. Зона пониженных скоростей у вершины лепестка также ликвидируется.
Рис. 8. Визуализация течения во внутреннем и наружном каналах смесителя 2.0
Рис. 9. Изолинии приведенной скорости на срезе смесителя 2.0 с коком 3.0 (а) и визуализация течения во внутреннем канале смесителя 2.0 с коком 3.1 (б)
Установлено, что на течение в канале наружного контура наличие вырезов в боковых стенках лепестка качественно не повлияло. Подрезка кармана смесителя через один также не оказала качественного влияния на характер течения вблизи стенок смесителя и на гидравлические потери.
Установка накладок на лепестки смесителя 1.0 в наружном контуре привела к снижению гидравлических потерь на 0,06%. Незначительная величина эффекта объясняется тем, что установка накладок, с одной стороны, способствует снижению потерь, связанных с вихреобразова-нием и деформацией линий тока, с другой стороны, приводит к росту потерь трения. Установка накладок привела также к увеличению до 20° угла выхода потока из кармана наружного контура.
Исследованные 12- и 18-лепестковые смесители при близких значениях псм1 и псм2 отличаются как числом лепестков 2, так и относительной высотой лепестка Нсм=Нсм/И, а также взаимным расположением боковых стенок. Причем угол раскрытия лепестка смесителя 4.4. практически совпадает с углами раскрытия смесителей 1.0 и 2.0. В итоге удалось оценить влияние на гидравлические потери таких факторов как 2 и Нсш, которое показано на рис. 10, 11. Видно, что с увеличением числа лепестков 2 и относительной высоты Нсм потери в каналах смесителей возрастают, причем это возрастание усиливается с увеличением входной скорости.
б(
0,98
0,96
б(
0,98
0,96
-о-—...
N а ч
10 15 г
/ 1 О О / /
6 1 • !
10
15
Рис. 10. Зависимости <7см1 (а) и асм2 (б) от числа лепестков ъ при йсм~0,7 и а~40°
----^1ь»^2ь»0,4;------^1ь»^2ь»0,6;
смесители: о - 4.4; • - 2.0 (кок 3);
<з* СМ 1
0,98 0.96
>
0,4 0,6 Ьсм
<3* ^ СМ2 0,98
0,96 6
0,4 0,6
Рис. 11. Зависимости асм1 (а) и асм2 (б) от относительной высоты лепестка Нсм при 2=18 и а~40°
---^1ь»^2ь»0,4;-------^1ь»^2ь»0,6;
смесители: ▼ - 1.0; • - 2.0; кок 3
Заключение
В результате экспериментального исследования течения и потерь полного давления в каналах лепестковых смесителей оценены предельные углы раскрытия каналов лепестков по безотрывному течению в них. Для наружного и внутреннего контура эти углы не должны превышать соответственно значений а £ 25°; ан £ 25°.
Полученные экспериментальные данные позволяют разработать методику расчета гидравлических потерь в каналах смесителей, что даст возможность более достоверно выполнять априорные расчетные оценки при проектировании новых и модернизации существующих смесителей, поскольку они не входят в силовую схему двигателя и могут быть заменены в условиях авиаремонтного производства.
ЛИТЕРАТУРА
1. Kuchar A. P., Chamberlin R. Scale model performance test investigation of exhaust system mixers for on energy efficient engine (E3) propulsion system. AIAA Paper, №0229, 1980.
2. Sokhey J.S. Experimental performance evaluation of ventilated mixers-a new mixer concept for high-bypass turbofan engines. I. Aircraft, vol.21 №8, 1984, pp. 567-575.
THE INVESTIGATION OF FLOW MECHANISM AND TOTAL PRESSURE LOSSES IN LOBE MIXER DUCTS OF BYPASS AVIATION ENGINES.
Medvedev V.V., Ponomaryov N.N.
Some results of experimental investigation of geometric and regime parameters influence on the flow mechanism and pressure losses in the mixers ducts of bypass engines are presented in the article. The extreme angles of the lobe extension ducts are estimated with the condition of steady flow. The variations of the central cone and mixers profiling influence on the pressure losses are investigated. The pressure losses data in the lobe and ring type mixers are compared.
Сведения об авторах
Медведев Владимир Владимирович, 1958 г.р., окончил Рижский Краснознаменный институт инженеров гражданской авиации (1981), кандидат технических наук, начальник отдела 603 ЦИАМ, доцент кафедры двигателей летательных аппаратов МГТУ ГА, автор более 40 научных работ, область научных интересов - авиационное двигателестроение.
Пономарев Николай Николаевич, 1949г.р., окончил Рижский Краснознаменный институт инженеров гражданской авиации (1973), кандидат технических наук, начальник бригады камер сгорания ЛМЗ, область научных интересов - авиационное двигателестроение.
