Моделирование распределённого отбора и подвода охлаждающего воздуха в ГТД Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.431.75

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЁННОГО ОТБОРА И ПОДВОДА ОХЛАЖДАЮЩЕГО ВОЗДУХА В ГТД

©2009 А. И. Горюнов, И. М. Горюнов

Уфимский государственный авиационный технический университет

Рассмотрены математические модели ГТД с учётом распределённого отбора воздуха из компрессора и распределённого подвода охлаждающего воздуха в турбине.

Математическая модель, ГТД, компрессор, турбина, отбор воздуха, подвод воздуха

Каждый год ужесточаются требования к разрабатываемым двигателям. Для сохранения конкурентоспособности и спроса на изделия разработчики применяют в проектировании новейшие методики и программные пакеты, повышают рабочие температуры, используя системы охлаждения лопаток тур -бин. Основным способом охлаждения является охлаждение воздухом.

Современные авиационные ГТД (АЛ-31Ф, РД-33, АЛ-55И, ПС-90А, БМ-146 и др.) отличаются все более сложными системами отбора и подвода рабочего тела. Например, отбор воздуха осуществляется между ступенями компрессора.

В большинстве математических моделей авиационных ГТД принято допущение, что отбор воздуха происходит за компрессором, что увеличивает потребную мощность компрессора и соответственно вносится погрешность в термогазодинамические расчеты.

Рассмотрим математическую модель компрессора с учетом распределенного отбора воздуха.

Принимаем допущение, что параметры рабочего тела и работа компрессора до соответствующего отбора определяются по модели политропного процесса сжатия.

Давление и температура воздуха в отборе определяются по заданным значениям относительной адиабатической работы компрессора до /-го отбора (рис. 1). Механические и гидравлические потери учитываются в расчёте требуемой работы компрессора *

( *к ).

е

Рис. 1. Диаграмма процесса сжатия рабочего тела в многоступенчатом- осевом- компрессоре

Потребная мощность компрессора яв-ляется суммой произведений расхода воздуха на выходе из компрессора на работу сжатия и количества отбираемого воздуха на работу соответствующей ступени:

* П / * I

N к = в 2 • Ь к + I [в _ . • Ь . I. (1)

к 2 к /=1' отб. 1 к 1/ 4 '

Расход отбираемого воздуха есть произведение расхода воздуха на входе в компрессор (в1) и заданного относительного

расхода отбираемого воздуха (в отб. 1):

в отб. 1 = в1в отб- 1. (2)

Расход воздуха на выходе из компрессора представляет собой разность расходов на входе и в отборах:

Авиационная и ракетно-космическая техника

0 2 = 01

п

-2 о.

і=1

отб. і

(3)

Учет влияния распределенного отбора воздуха на характеристику компрессора достигается коррекцией характеристик с использованием поправочных множителей к

соответствующим координатам р*, ц*к от приведенного расхода воздуха в отборе

о,

отб. і пр •

* = / (о.

5рк =

отб. і пр )’

* ( )

к = отб. і пр / •

ступенчатая (рис. 3). В этом случае распределение расходов охлаждающего воздуха между сопловыми и рабочими лопатками не соответствует действительному и подбирается таким образом, чтобы обеспечить потребную мощность и известные параметры за турбиной. Такое допущение вносит погрешность в термогазодинамический расчет многоступенчатой турбины.

(4)

*?к = ^(0отб. і пр )- (5)

Конкретные способы забора воздуха и места на двигателе определяются в зависимости от нужд и возможностей размещения магистралей.

Для повышения эффективности охлаждения, а тем самым снижения количества отбираемого воздуха, применяют теплообменники различного типа. Проходя через них, воздух охлаждается в среднем на 300 - 400 К.

Современные высокотемпературные турбины авиационных ГТД отличаются сложными системами подвода охлаждающего воздуха. Охлаждающий воздух подводится для охлаждения сопловых и рабочих лопаток, диска рабочего колеса. Выпуск охлаждающего воздуха в газовоздушный тракт из систем охлаждения осуществляется через отверстия в передних и задних кромках сопловых и рабочих лопаток, а также в радиальный зазор между рабочими лопатками и корпусом. Воздух, охлаждающий диск рабочего колеса, выпускается в зазор между сопловыми и рабочими лопатками (рис. 2).

В большинстве математических моделей авиационных ГТД принято допущение, что воздух, охлаждающий сопловые лопатки, подмешивается к основному газовому потоку до горла соплового аппарата, а воздух, охлаждающий рабочие лопатки подмешивается за рабочими лопатками. Воздух, охлаждающий сопловой аппарат,

смешивается с газом и учитывается в работе турбины. Воздух, охлаждающий рабочее ко -лесо, смешивается с основным потоком за ним и участвует в работе последующей ступени. В процессе смешения давление основного потока не изменяется. Многоступенчатая турбина рассматривается как одно-

Звздцх т хвгнгрессорс

Воздух из-за

Рис. 2. Схема подвода в турбину охлаждающего воздуха

Рис. 3. Диаграмма процесса расширения в одноступенчатой турбине

В системе математического моделиро -вания тепловых, энергетических и комбинированных установок возможно

описание многоступенчатой турбины из элементов, описывающих каждую ступень. При этом должны быть известны характеристики отдельных ступеней турбины.

В связи с этим предложена математическая модель многоступенчатой турбины с учетом распределенного подвода охлаждающего воздуха. Рассматриваются изолированные процессы расширения газа, поступающего на вход в турбину, и охлаждающего воздуха до давления на выходе из турбины (рис. 4). При расчете турбины используется эффективный КПД охлаждаемой турбины 7*эф), который является

отношением мощности (Ут), развиваемой турбиной, к сумме изоэнтропических работ потоков газа (х*.) и охлаждающего воздуха

(х* охл. ;) в турбине, умноженным на соответствующие расходы газа (Сг) и воздуха

(^в.охл. 1 ) :

N т

G L +

г гs

У G . L

/ j в.охл. i .в.охл.s i

(б)

Энтальпия и соответственно температура рабочего тела на выходе из турбины рассчитываются на основе материального и теплового балансов.

Рис. 4. Диаграмма процесса расширения в многоступенчатой турбине

Учёт распределённого отбора и подво -да охлаждающего воздуха позволяет повысить адекватность математической модели ГТД.

SIMULATION OF THE DISTRIBUTED SELECTION AND SUPPLY OF COOLING AIR

IN GAS-TURB ENGINE

©2009 A. I. Goryunov, I. M. Goryunov

Ufa State Aircraft Technical University

Mathematical models GAS-TURB ENGINE are considered in view of the distributed selection of air from the compressor and the distributed supply of cooling air in the turbine.

Mathematical model, GAS-TURB ENGINE, the compressor, the turbine, selection of air, air intake

Информация об авторах

Горюнов Алексей Иванович, студент Уфимского государственного авиационного технического университета. E-mail: ushovec@ya.ru. Область научных интересов: математическое моделирование авиационных двигателей и энергетических установок.

Горюнов Иван Михайлович, доктор технических наук, профессор Уфимского государственного авиационного технического университета. E-mail: gorjunov@mail.ru. Область научных интересов: математическое моделирование авиационных двигателей и энергетических установок

Goryunov Alexey Ivanovich, student of Ufa State Aircraft Technical University. E-mail: ushovec@ya.ru. Area of research: mathematical modelling of aviation engines and power installations.

Goryunov Ivan Mikhailovich, Doctor of Engineering Science, professor of Ufa State Aircraft Technical University. E-mail: gorjunov@mail.ru. Area of research: mathematical modelling of aviation engines and power installations.