Оптимизация конструкции диффузора камеры сгорания газотурбинного двигателя с использованием расчётов в caeсистемах Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 004.9+621.431.75

ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ ДИФФУЗОРА КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАСЧЁТОВ В CAE-

СИСТЕМАХ

© 2012 М. Ю. Орлов, В. С. Зинковский, С. С. Матвеев

Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королёва (национальный исследовательский университет)

Рассмотрены пути решения специфичных проблем, которые возникают при использовании компьютерных технологий проектирования диффузоров камер сгорания ГТД.

Камеры сгорания, диффузор, суперкомпьютерные технологии, обеспечение расчётов.

Основные характеристики

современных авиационных ГТД напрямую зависят от организации рабочего процесса камеры сгорания (КС). Соответственно к проектированию КС выдвигаются повышенные требования, включающие в себя требования по аэродинамическим,

12 3

экологическим, срывным и некоторыми другим характеристикам. Камера сгорания включает в себя ряд основных элементов (рис.1). Конструкция каждого элемента влияет на реализуемый в конкретной камере рабочий процесс и, соответственно, на характеристики двигателя в целом.

4 5 6

Рис. ¡.Основные элементы КС ГТД: 1-топливная форсунка, 2- фронтовое устройство, 3- отверстия первичной зоны,4- жаровая труба, 5- щель для охлаждающей завесы, 6- внешний кольцевой канал, 7- внутренний кольцевой канал, 8- отверстия зоны разбавления, 9- корпус,10- отверстия промежуточной зоны, ¡1- воздушный заверитель, ¡2- воздухозаборник, ¡3- диффузор

Диффузор камеры сгорания должен обеспечивать преобразование скоростного напора потока воздуха в давление с минимальными потерями и создавать устойчивое равномерное поле скорости перед жаровой трубой. Суммарные потери полного давления влияют на расходтоплива в ГТД, так как равномерное поле скорости перед жаровой трубой и распределение воздуха по кольцевым каналам повышают

полноту сгорания топлива. В результате неполного сгорания топлива может иметь место заброс температур в локальных участках на выходе из КС, что в свою очередь ведёт к образованию прогаров лопаток турбины, а также влияет на экологические характеристики двигателя. Следовательно, проектирование и оптимизация конструкции диффузоров КС

является важной задачей при создании двигателя.

При разработке перспективной малотоксичной КС одного из двигателей было решено подобрать оптимальную конструкцию диффузора с точки зрения как обеспечения минимального уровня потерь давления, так и выбросов окислов азота (NOX). Для исследования с использованием численного моделирования было выбрано пять различных конструкций диффузоров (варианты 1-5), отличавшихся длиной

Расчет течений в диффузорах выполнялся в программном пакете ANSYS на многопроцессорном персональном компьютере и суперкомпьютере «Сергей Королёв», имеющих следующие основные характеристики. Персональный компьютер: процессор Intel(R) Core™ i7 CPUX980 @ 3.33 GHz, оперативная память - 24 ГБ. Суперкомпьютер «Сергей Королев»: 896 процессоров 2xIntelXeon X5560, 2.80GHz; общая оперативная память 1,3125 Тб.

Геометрическая модель диффузора представляла собой 3D модель, созданную в пакете NX и соответствующую сектору в

преддиффузорной части и степенью диффузорности (табл.1), При выборе профиля диффузоров расстояние от входа в диффузор до фронтовой плиты сохранялось неизменным. Угол раскрытия на начальном участке был принят равным 7,4 град, а степень диффузорности не превышала 2,06. Принципиально конструкции диффузоров отличались длиной преддиффузора и способом его профилирования, а также формой корпуса КС в области диффузора.

1/27 реальной КС, на основе которой путём выделения газодинамической области была создана неструктурированная сеточная расчётная модель. Первоначально были выполнены расчёты для «холодной продувки» камеры сгорания,

соответствующей стендовым испытаниям, с целью оценки её аэродинамического совершенства. В качестве модели турбулентности была выбрана реализованная в Ansys Fluent полуэмпирическая модель k-£ Realizable. Начальные условия для расчёта приведены в табл. 2.

Таблица 2 - Начальные условия для моделирования течения в КС с условиями «холодной продувки» (соответствуют секторной модели 1/27 реальной камеры)

Положение граничной зоны Параметр Размерность Значение*

Вход в КС Массовый расход воздуха кг/с 0,213

Полная температура воздуха К 425

Таблица 1- Геометрические характеристики диффузоров

Вариант № Степень диффузорности Длина преддиффузор а Расстояние от преддиффузора до фронтовой плиты Вид преддиффузора

1 1,82 167 90 Прямой

2 1,54 110 147 Прямой

3 2,00 167 90 Профилированный

4 2,06 192,8 64,2 Профилированный

5 1,80 192,8 64,2 Профилированный

Интенсивность турбулентности % 5

Гидравлический диаметр м 0,0262

Выход из КС Осредненное по площади статическое давление воздуха Па 101325

Массовый расход подбирался из условия обеспечения значения приведенной скорости в диффузоре А=0,311.

Таблица 3 - Основные результаты численного расчёта

Из табл. 3 видно, что по величине суммарных потерь полного давления в камере сгорания вариант №4 имеет наилучшие показатели, а для варианта №2 характерны самые высокие

В ходе расчёта с условиями «холодной продувки» были получены следующие результаты (табл. 3).

потери, обусловленные образованием

крупных зон завихрений.

Затем был выполнен расчёт КС для условий,

соответствующих взлётному режиму

(табл.4).

Таблица 4 - Начальные условия для взлётного режима

Положение граничной Параметр Размерность Значение*

зоны

Вход в КС Полное давление воздуха Па 3009352

Полная температуравоздуха К 820

Интенсивность турбулентности % 5

Гидравлический диаметр м 0,0265

Массовая концентрация О2 % 23

Массовая концентрация N % 77

Выход из КС Массовый расходвоздуха кг/с 3,1319

Параметр Размерность Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3 Вариант 4 Вариант 5

Расчётная приведённая скорость на входе в диффузор X - 0,311 0,311 0,311 0,311 0,311

Расчётные потери полного давления в диффузоре % 1,62 1,81 1,32 1,25 1,18

Расчётные потери полного давления в КС % 5,96 6,03 5,8 4,57 5,86

сигнальный параметр - полная температура В качестве критерия сходимости при на выходе. Так как при решении задачи в расчёте процессов горения был использован стационарной постановке её значение на

выходе из КС по итерациям не изменялось, графики изменения полного давления и его это свидетельствовало о сошедшемся потерь по длине жаровой трубы, решении. Полученные в результате расчёта представлены на рис. 2.

so

^

К S X

ш

m го

4

о ^

о

X

о с

5 о.

Ш I-

о с

3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0

0,46 0,52 0,58 0,64 0,7 0,76 0,82 0,88 0,94 1

Относительная длина КС

Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3 Вариант 4 Вариант 5

Рис. 2. График изменения потерь полного давления в жаровой трубе

Из рисунка видно, что качественное изменение этих характеристик по длине камеры сгорания аналогично для всех рассмотренных вариантов диффузоров. Между тем значения потерь полного давления на выходе из завихрителей фронтового устройства отличаются для различных вариантов диффузоров. Это связано с организацией течения в диффузорах и разницей потерь полного давления для каждого из них. Резкое увеличение потерь полного давления наблюдается во фронтовой плите, где происходит сильное искривлений линий тока, и в зоне горения за завихрителями, что связано с подводом тепла к рабочему телу. Перераспределение расходов воздуха между зоной горения и зоной разбавления повлияло на характеристики выходного поля

температуры. Радиальная неравномерность поля температур определялась по формуле (рис.3):

©

max h

-*

T

j max

- T*

—* * Ti - T*

где ©h - максимальная радиальная

неравномерность поля температур; —*

Tj max - максимальная из средних температур в радиальной эпюре;

T*

температура воздуха на входе в

КС;

T i - среднеарифметическая температура по результатам замера поля.

§ 4

с о.

V 5 3

о ° х

Вариант диффузора №1

Вариант диффузора №2

Вариант диффузора №3

Вариант диффузора №4

Вариант диффузора №5

1,8 0,9 1 1,1 1,2

Радиальная неравномерность температуры газа

Рис. 3. Эпюра радиальной неравномерности поля температур на выходе из КС

6

5

2

1

Из приведённой эпюры видно, что положение зоны с высокой температурой не изменяется в зависимости от варианта диффузора. Отсюда следует вывод о том, что конструкция диффузора для данной КС практически не влияет на вид поля температур на выходе, а доводка камеры сгорания по этому параметру должна осуществляться за счёт оптимизации распределения воздуха в зоне смешения.

Таблица 5 - Начальные условия для крейсерского режима

На взлётном режиме распределение температур в объёме ЖТ отличается от распределения температур на крейсерском режиме (рис.4). При этом структура течения и относительные расходы газа в жаровой трубе принципиально не меняются (рис.5). Это может быть связано с перераспределением топлива в зоне горения.

Расчеты выбросов NOx вначале проводились для камеры сгорания с диффузором № 4, имеющим наименьшие потери полного давления в КС при расчёте без горения. В качестве расчётных режимов были выбраны взлётный и крейсерский, начальные условия для последнего представлены в табл. 5.

В соответствии с расчётами на базе модели распыла топлива, предложенной Шмидтом, на взлётном режиме имеет место более мелкое распыливание, что ведёт к быстрому испарению капель топлива из-за высоких параметров рабочего тела на входе в КС (Тк, Рк*).

Положение граничной Параметр Размерность Значение*

зоны

Вход в КС Полное давление воздуха Па 1198674

Полная температура воздуха К 740

Интенсивность турбулентности % 5

Гидравлический диаметр м 0,0265

Массовая концентрация О2 % 23

Массовая концентрация N % 77

Выход из КС Массовый расход воздуха кг/с 3,1319

СошоигЕ от Той Тетрегаииге {к]

АА5У5 РШЕЫТ 13 0(30 рЬп&, зре, яке)

а) Крейсерский режим

б) Взлётный режим

Рис. 4. Распределение температур в объёме ЖТ

а) взлетный режим б) крейсерский режим

Рис. 5. Линии тока в продольном сечении КС

Рассчитанные характеристики камеры сгорания с диффузором №4 на взлётном и крейсерском режимах работы двигателя показали, что концентрация NOx для них на выходе из КС равны 567 и 476 ррт.

Далее расчёты по оценке выбросов NOx на крейсерском режиме были выполнены для всех вариантов диффузоров (табл. 6).

Таблица 6 - Эмиссионные характеристик КС с различными вариантами диффузоров

Вариант диффузора №1 №2 №3 №4 №5

Концентрация NOx на выходе из КС, ррт 87% 84% 100% 65% 99%

Таким образом, в рамках проведённого исследования удалось выбрать оптимальную конструкцию диффузора малотоксичной КС, обеспечивающую невысокие потери полного давления и минимальный уровень выбросов NOх. Расчёт, выполненный для условий, соответствующих взлётному режиму, показал, что конструкция диффузора для проектируемой КС не влияет на вид эпюры радиальной неравномерности поля температур на выходе из неё. Разработанные подходы к расчёту и выбору оптимальной

конструкции диффузоров КС

продемонстрировали возможность их эффективного использования на практике.В настоящее время проводятся работы по верификации данных численного

моделирования расчёта диффузоров на базе экспериментальных данных и доработки используемой методики расчёта с целью достижения требуемой точности.

OPTIMIZATION OF DESIGN DIFFUSER OF GTE COMBUSTION CHAMBER WITH

USING CAE-SYSTEMS

© 2012 M. Y. Orlov, S. S. Matveev, V. S. Zinkovskiy

Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolov (National Research University)

When using computer technology design of diffuser combustion chambers GTE specific problems arise, solutions are considered in this paper.

GTE combustion chamber, diffuser, computer-aided design, computer-aided engineering, high-performance computing, support modeling.

Информация об авторах

Орлов Михаил Юрьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры теплотехники и тепловых двигателей, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет). E-mail: [email protected]. Область научных интересов: рабочий процесс в КС ГТД, образование и выброс вредных веществ.

Матвеев Сергей Сергеевич, инженер, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет). E-mail: [email protected]. Область научных интересов: применение CAE/CAD-технологий в расчётах процессов горения и турбулентных течений.

Зинковский Виктор Сергеевич, инженер, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет). E-mail: [email protected]. Область научных интересов: методы моделирования камер сгорания ГТД, процессов горения и смесеобразования.

Orlov Michail Yuryevich, Candidate of Technical Science, associate professor of the head of heat engineering and heat-engine department of Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolov (National Research University). E-mail: [email protected]. Area of research: experimental researchof combustion chambers, emissionsand formation of hazardous substances.

Matveev Sergey Sergeevich, Engineer of Laboratory of Scientific and Educational Center of gas dynamic Research of Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolov (National Research University). E-mail: [email protected]. Area of research: application of CAE / CAD-technologies in the processes of combustion and turbulent flows.

Zinkovskiy Victor Sergeevich, Engineer of Laboratory of Scientific and Educational Center of gas dynamic Research of Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolov (National Research University. E-mail: [email protected]. Area of research: combustion, mixing.