CC BY
104
УДК 629.7.036.34
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФОРМЫ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ПОСЛЕДНЕЙ СТУПЕНИ МНОГОСТУПЕНЧАТОГО КОМПРЕССОРА НА ЕГО ХАРАКТЕРИСТИКИ И СТРУКТУРУ ПОТОКА
© 2012 Г. М. Попов, А. В. Кривцов, Д. А. Колмакова
Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)
Исследовано влияние на КПД компрессора применения рабочих лопаток с антивибрационными полками и профилем Шварова по сравнению с обычными лопатками. Изменение КПД компрессора количественно оценено на четырёх режимах его работы.
Антивибрационная полка, характеристики компрессора, КПД.
двигателеи. к основным деформации
Вопрос повышенных динамических напряжений в рабочих лопатках компрессоров занимает одно из важнейших мест в общей проблеме обеспечения надёжности авиационных Стойки опор можно отнести причинам возникновения потока в близлежащих лопаточных венцах и, как следствие, появления повышенных динамических напряжений в рабочих лопатках. В настоящее время существует ряд способов (как прочностных, так и газодинамических) снижения динамических напряжений [1].
Целью работы является оценка влияния методов борьбы с высокими переменными
напряжениями рабочих лопаток на характеристики компрессоров
газотурбинных двигателей. В качестве объекта исследования рассматривался пятиступенчатый компрессор ГТД с расположенной за ним опорой.
В качестве базовой конструкции рассматривался компрессор с применением антивибрационной полки на рабочем колесе пятой ступени (рис. 1). В данном случае применение антивибрационной полки является вынужденным мероприятием по снижению влияния нерациональной конструкции опоры компрессора на рабочие лопатки.
Рис. 1. Меридиональное сечение КСДуниверсального газогенератора
Базовая расчётная модель, созданная в соответствии с чертёжной геометрией в NUMECA Fine Turbo, представляет собой секторную модель компрессора, каждый лопаточный венец моделировался только одним межлопаточным каналом, с наложенными на его боковые поверхности условиями периодичности (рис. 2). При построении геометрии расчётной области моделировались галтели и радиальные зазоры.
При построении была использована сетка с топологией типа О4Н с совпадающими узлами на поверхностях периодичности, основные параметры сетки всей расчётной области и области антивибрационной полки приведены на рис. 3 и 4, соответственно. Размер элемента ближайшего к стенке равнялся 0,002-0,003 мм, что позволило обеспечить фактор роста в О-подслое от 1 до 1,25 в зависимости от венца.
Рис. 2. Пространственная геометрия расчётной области КСД с антивибрационной полкой
129 Periodic Pts=39{blade up) + 21{stream inlet)-1 + 21 {stream outlet)-1
106 Periodic Pts=S9(blade up) + »stream inlet) -1 + »stream outlet) -1
С
cPts=S9(blade down) - stream inlet)-1 + 9|st
С
Рис. 3. О4Н-топология для всей расчетной области
Количество элементов для всех лопаточных венцов (ЛВ) по высоте лопатки и для области полки было принято равным 57 и 89, соответственно, по высоте радиального зазора - 17. Размер элемента, ближайшего к торцу лопатки и поверхностям меридиональных обводов, составляет 0,003 мм. В направлении к стенкам введено сгущение сетки. Итоговая полная пространственная сетка расчётной модели каскада компрессора (рис. 5) содержит 7601909 элементов. Среднее количество элементов в каждом ЛВ составляет 542994. Минимальный угол скошенности составляет 17,8°. Данная величина говорит о хорошем
12Э Paiodic Pts-B9(blad& down} + 21 ¡stream inletj -1 + 21 Islr&am outletj -1
Рис. 4. О4Н-топология для области антивибрационной полки качестве расчётной сетки. На рис. 6 приведена сетка конечных элементов для 5РК с антивибрационной полкой.
Все расчёты проводились в стационарной постановке. Число Куранта -Фридрихса - Леви для всех расчётов принималось равным 3. В качестве рабочего тела при расчётном исследовании рабочего процессора компрессора использовался идеальный газ со свойствами сухого воздуха. В расчётах учтена зависимость теплоёмкости и динамической вязкости от температуры. В ходе расчётов использована модель турбулентности k-epsilon (Low Re Yang-Shih).
Рис. 5. Внешний вид пространственной сетки конечных
Рис. 6. Сетка конечных элементов для
элементов
На входе в расчётную область задавалась осреднённая в окружном направлении эпюра полного давления, величина полной температуры и направление потока относительно оси компрессора. На выходе - величина статического давления на втулке. Изменение давления вдоль радиуса рассчитывалось с помощью уравнения радиального
равновесия.
5РК с антивибрационной полкой
В результате расчёта базового варианта компрессора были получены его характеристики на четырёх режимах работы (рис. 7, 8).
Анализ данных рисунков свидетельствует о высоком качестве построенной расчётной модели компрессора: расчётные
характеристики хорошо согласуются с экспериментальными данными.
"пр = 1 \
>
ч \ уч \ \
^ п \ \ ^ = 0,91 \ 1 1
Ппр = 0,83 \ч ( \ \ | 1
\ \ \ \ ' \
п^ = 0,74 NN \\ \\ 1
\ 1
0,64 0,73 0,82 0,91 1 С„р,кг/с
Рис. 7. Напорная характеристика базового варианта компрессора
Сплошные линии - расчетные напорные характеристики; Пунктирные линии - экспериментальные напорные характеристики
п^ = 0,83
/ \ ^ / V ч 1
//А \ 1 | / 7\ "пр = 1
// / 1 / Г ' 1 Л / < / 1 / 1
/ / / / / / / 1 1
Я^ = 0,74 / / 1 1
/ 1 1
= 0,91
3.3
3.1
2.9
2.7
2./
2.3
2.1
1.9
1.7
0,64 0,73 0,82 0,91 1 С^кг/с
Рис. 8. Напорная характеристика базового варианта компрессора Сплошные линии - расчетные КПД-характеристики; Пунктирные линии - экспериментальные КПД-характеристики
Вместе с характеристиками в результате расчётов были получены поля распределения всех основных параметров потока во всех точках проточной части базового варианта компрессора. На рис. 9 приведены поля чисел Маха в относительном движении для каждого ЛВ. На рис. 10 приведено значение параметра у+ на стенках расчётной области. На рис. 11 -значение параметра у+ вблизи антивибрационной полки. Среднее значение у+ по всей расчётной области составляет 1,1, максимальное не превышает 5,1, что говорит о высоком качестве построенной расчётной сетки.
В качестве альтернативных методов по борьбе с высокими переменными напряжениями рабочих лопаток были
рассмотрены два варианта изменения проточной части компрессора:
1. Применение профиля Шварова для рабочих лопаток пятой ступени.
2. Использование лопаток пятого направляющего аппарата с различными углами установки.
Для оценки КПД изменённых вариантов проточной части компрессора были построены две расчётные модели, отличающиеся от базовой модели только указанными выше моментов.
Однако для второго варианта модернизации следует отметить, что введение «разноугловицы» незначительно повлияет на интегральное распределение параметров между лопаточными венцами. Кроме того, данный вариант модернизации позволяет отказаться от применения
антивибрационной полки на пятом рабочем колесе.
Рис. 9. Поле относительных чисел Маха в базовом варианте компрессора в сечении 5% по высоте проточной
части
I
I
Рис. 10. Распределение параметра у+ в расчётной области
Для всех изменённых вариантов исполнения компрессора расчётным путём были получены напорная и КПД характеристики на четырёх режимах работы (рис. 12 и 13). Для сравнения на рисунках приведены напорная и КПД характеристики базового варианта исполнения компрессора.
Из анализа напорных веток следует, что для всех вариантов геометрии характер протекания напорных кривых практически одинаков. Для базового варианта и варианта проточной части компрессора с профилем Шварова на 5РК наблюдается снижение приведённого расхода через компрессор по сравнению с вариантом конструкции без антивибрационной полки. Причём снижение расхода сильнее проявляется при низких оборотах.
Рис. 11. Распределение параметра у+ на лопатке 5РК с антивибрационной полкой Что касается КПД-характеристики, то здесь можно говорить о приросте КПД на 0,2% при применении профиля Шварова и о приросте КПД компрессора от 0,5% (на высоких режимах работы) до 1% (на низких режимах) при отказе от антивибрационной полки.
Что касается сравнения
модернизированных вариантов между собой, то из графиков следует, что применение профиля Шварова позволяет избежать таких значительных проигрышей в КПД: на высоких режимах работы профиль Шварова практически не проигрывает обычной лопатке, на низких режимах применение профиля Шварова приводит к снижению КПД компрессора примерно на 0,5%.
«пр = 1 А
\
п^ = 0,91 А \ -
\\
»4 = 0,83 4 \\
Л
й^ = 0,74 VI
0,64 0,73 0,82 0,91 1 Спр,кг/с
Рис. 12. Сравнение напорных характеристик базового и модернизированных вариантов компрессора Штрихпунктирные линии - напорные характеристики базового варианта компрессора Сплошные линии напорные характеристики компрессора без антивибрационной полки на 5РК; Пунктирные линии - напорные характеристики компрессора с профилем Шварова на 5РК
X
п„р = 0,74
\\
= 0,83
п^=0,91
™пр = 1
0,64 0,73 0,332 0,91 1 Спр,кг/с
Рис. 13. Сравнение КПД-характеристик базового и модернизированных вариантов компрессора Штрихпунктирные линии - КПД-характеристики базового варианта компрессора Сплошные линии - КПД-характеристики компрессора без антивибрационной полки на 5РК; Пунктирные линии - КПД-характеристики компрессора с профилем Шварова на 5РК
Рис. 14. Поле относительных чисел Маха в КСД без антивибрационной полки на 5РК в сечении 5% по высоте
проточной части
3.4
3.2
3
2.8
2.6
2.4
2.2
2
1.8
Relative Mach Number
<
Рис. 15. Поле относительных чисел Маха в КСД с с профилем Шварова на 5РК в сечении 5% по высоте
проточной части
Работа выполнена при финансовой поддержке Правительства Российской Федерации (Минобрнауки) на основании
Постановления Правительства РФ №218 от 09.04.2010.
Библиографический список
1. Шкловец, А.О. Расчет вынужденных колебаний лопаток рабочего колеса компрессора авиационного газотурбинного двигателя, возникающих от действия
окружной неоднородности газового потока [Текст] / А.О. Шкловец, Г.М. Попов, Д.А. Колмакова // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - Том 14, №1(2). - 2012. - С.517-520.
INVESTIGATION OF EFFECTS OF MULTISTAGE COMPRESSOR FINAL STAGE BLADING SHAPE ON COMPRESSOR PERFORMANCE AND FLOW PATTERN
© 2012 G. M. Popov, A. V. Krivtsov, D. A. Kolmakova
Samara State Aerospace University named after academician S. P. Korolyov (National Research University)
The influence of rotor blades with anti-vibration shroud and Shvarov's profile compared to conventional blades on compressor efficiency is investigated. The variation of compressor efficiency is quantitatively evaluated at 4 operation modes.
Anti-vibration shroud, the compressor characteristics, efficiency.
Информация об авторах Попов Григорий Михайлович, инженер, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет). E-mail: grishatty@mail.ru. Область научных интересов: рабочие процессы в лопаточных машинах, вычислительная газовая динамика, рабочие процессы ВРД.
Кривцов Александр Васильевич магистрант, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет). E-mail: a200009@rambler.ru. Область научных интересов: моделирование рабочих процессов тепловых машин.
Колмакова Дарья Алексеевна, магистрант, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет). E-mail: kolmakova.daria@gmail.com. Область научных
интересов: рабочие процессы в лопаточных машинах, вычислительная газовая динамика, рабочие процессы ВРД.
Popov Grigory Mikhailovich, engineer, Samara State Aerospace University named after academician S. P. Korolyov (National Research University). Е -mail: grishatty@gmail.com. Area of research: workflows in turbomachines, computational fluid dynamics, work processes of the jet engines.
Krivtsov Alexander Vasileevich, magistrand, Samara State Aerospace University named after academician S. P. Korolyov (National Research University). E-mail: krivcov63@mail.ru. Area of research: blade machines, numerical calculations, processes of heat exchange and diffusion.
Kolmakov Daria Alekseevna, magistrand, Samara State Aerospace University named after academician S. P. Korolyov (National Research University), e-mail: kolmakova.daria@gmail.com. Area of research: workflows in turbomachines, computational fluid dynamics, work processes of the jet engines.
