CC BY
49
УДК 621.438.001.24
М.А. Шаровский, А.В. Ивченко, М.Ю. Шелковский ГП НПКГ"Зоря"-"Машпроект", Украина
РАСЧЕТНЫЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК СТУПЕНЕЙ КОМПРЕССОРА, СПРОЕКТИРОВАННЫХ МЕТОДОМ СПЕЦИАЛЬНОГО
ПРОФИЛИРОВАНИЯ
Аннотация: В работе рассмотрены результаты расчетного и экспериментального анализа структуры течения в шестиступенчатом компрессоре, последние три ступени которого были спроектированы по методу заданного закона средней линии межлопаточного канала. Рассмотрены наиболее интересные результаты исследований компрессора на стенде
Турбомашина, компрессор, профиль, средняя линия, рабочее колесо, к.п.д., эксперимент, характеристика
Введение
Стремление к снижению расхода топлива, а также габаритов газотурбинных двигателей требует создания компрессоров с более высокими степенями повышения полного давления и КПД, чем в системах, применяемых в настоящее время. Это предполагает использование в компрессорах ступеней с большой аэродинамической нагрузкой [1]. Стандартные серии профилей лопаток осевых компрессоров, такие как ЫДСЛ-бОО, ВС-10, А-40, которые получили широкое применение в большинстве конструкций осевых компрессоров, не могут обеспечить повышенные углы поворота потока с высоким КПД. Поэтому научно-исследовательская деятельность в этой области направляется на разработку новых методов проектирования лопаток и на исследование их характеристик, как на стендах плоских решеток, так и на вращающихся ступенях. Один из возможных путей - разработка профилей лопаток с нетрадиционной формой средней линии, отличной от обычно используемой.
1. Объект и цели исследований
На предприятии ГП НПКГ "Зоря - Машпроект"
совместно с МВТУ им. Баумана разработана по спе-
циальной методике профилирования и изготовлена
серия профилей лопаток для осевого шестиступен-чатого компрессора. В расчетной точке компрессор должен обеспечивать
пк - 9, п ад* - 0,87. Для обеспечения данной степени
сжатия был выбран высокий уровень окружной скорости ик1 =420 м/с (Х1и=1,374). При этом первые три ступени были спрофилированы по классической методике, а последние три ступени (4-6) были спрофилированы по методу заданного закона средней линии межлопаточного канала решеток ступеней компрессора. Коэффициент адиабатического напора последних трех ступеней был выбран равным Нт = 0,32 + 0,33 , а коэффициент диф-фузорности по Либляйну рк = 0,51 + 0,52. Основные параметры ступеней 4-6 приведены в табл.1.
Таблица 1 Основные параметры ступеней 4-6 Число Рейнольдса по хорде первого рабочего
колеса
Re=Wbi 6
_ v , численно равно 1,8106.
№ ступени 4 5 6
Коэффициент расхода С1а 0,477 0,461 0,467
Коэффициент теоретического напора Нт 0,320 0,323 0,331
Диффузорность по Либляйну Dw рк 0,511 0,515 0,520
© М.А. Шаровский, А.В. Ивченко, М.Ю. Шелковский 2006 г. - 26 -
Решетки компрессора были исследованы как расчетными, так и экспериментальными методами. Основной целью проводимых расчетных и экспериментальных исследований было подтверждение проектных параметров компрессора и изучение газодинамических характеристик решеток профилей, спрофилированных по специальной методике. Расчетные исследования проводились с использованием программно-вычислительного комплекса Т1ошЕК".
2. Расчетная методика профилирования
Суть расчетной методики профилирования лопаток изложена в работах [2-3]. Она состоит в том, что задается закон движения частиц по средней линии тока межлопаточного канала в соответствии с целесообразным законом распределения аэродинамической нагрузки на профилях [2]. Решение обратной задачи гидродинамики осуществляется по методу Лагранжа для стационарного плоского невязкого газового потока, дополненного моделью пристеночного вязкого слоя. При этом учитывается обратное влияние пограничного слоя на основной поток, как по вытеснительному эффекту, так и по эффекту сопротивления; расчетное значение
формпараметра пограничного слоя н = 8*/ 8** используется в качестве приближенной оценки вероятности отрыва [3]. Характерной особенностью таких решеток является то, что они способны существенно снизить остаточную градиентность потока на выходе из межлопаточных каналов [4]. Форма профилей, полученных данным методом, отличается наличием обратной вогнутости в районе выходной кромки, т.н. Б-образностью (рис.1).
3. Расчетный анализ
Газодинамические параметры шестиступенча-того компрессора были рассчитаны в трехмерной вязкой постановке с помощью программного комплекса FlowER [5]. Моделирование турбулентности осуществлялось с помощью дифференциальной модели Ментера ББТ (степень турбулентности на входе е = 5%). Расчет производился на сетке 400 000 ячеек в венце (68368388). Моделирование радиальных зазоров не осуществлялось для улучшения сходимости решения.
Рис. 1 - Форма профиля, полученного методом специаль-
ного профилирования
Визуализация течения в 4 РК, 4НА в номинальной точке установки представлена на рисунках 23. Из анализа результатов расчета следует, что в
4РК, 4НА на стороне разрежения вблизи выходной кромки имеются сечения, в которых наблюдается отрыв потока. Визуализация течения в выходном направляющем аппарате вблизи границы устойчивости компрессора представлена на рис.4. Отрывные зоны занимают значительную часть межлопаточного канала. Следует отметить, что по конструктивным соображениям густота ВСА была понижена на 15% по сравнению с проектным значением. Расчет течения при проектной густоте показал некоторое улучшение структуры течения в межлопаточном канале ВСА, однако отрывной характер течения сохранился. Несмотря на это, установлено, что расчетные значения коэффициента напора на последних трех ступенях близки к проектным.
Рис. 2 - Визуализация течения потока в меридиональном сечении 4 РК
Рис. 3 - Визуализация течения потока в меридиональном
СШРГСТН
ИОДнЧШк. Не. ТТЛ} * чш
ЧШ)
2 г.. ЧИ!-*1 т. ПШ-Н
ЩШ ЭД'Е-Н
щ мке-ы
И В
Н -иЬЕ-Ь Н ШЭЕьЫ н !>: 1е-н
МаЕ-Ы
сечении 4НА
Рис. 4 - Визуализация течения потока в меридиональном сечении 6 НА
'КПП 1МЛЛ
ТМЯЕ 42
»ЫЕ--М штт ММ
■■И
■ |Р1|-Н
ЧГЕ** 1Г11ЛЕ-Н
4. Экспериментальные исследования
Экспериментальные исследования проводились на специальном стенде для испытаний комп-
рессоров большой мощности (рис. 5). Стенд оснащен универсальной автоматизированной системой сбора и обработки экспериментальных данных распределенного типа, работающей в режиме реального времени. Система включает в себя приборы измерения параметров потока, индукционные датчики частоты вращения, измеритель крутящего момента, что позволяет оперативно определять параметры исследуемого объекта с требуемой точностью и достоверностью.
Для измерения давления, полей давления, и температуры торможения использовались приемники давления, гребенки для измерения давлений и температуры.
При определении газодинамических характеристик ступеней и характеристик групп ступеней замерялись поля давлений и температур на выходе из каждого рабочего колеса компрессора. Гребенки были ориентированы под угол выхода потока из рабочего колеса в абсолютном движении. Из-за недостаточной точности замера температуры по ступеням адиабатический КПД ступени определялся через замеренное п и политропический КПД ступени. Ступени были разбиты на три группы: 1-3 и 46. Политропический КПД ступени принимался равным политропическому КПД соответствующей груп-
пы. Также определялись расход воздуха и частота вращения ротора компрессора.
Радиальные эпюры температур и давлений по ступеням шестиступенчатого компрессора на режиме, близком к номинальному, представлены на рисунках 6-7. Радиальная неравномерность поля давления на входе в 4РК составила в среднем 7%, неравномерность поля температур - 5%. Повышенная неравномерность указывает на недополучение напора во втулочных сечениях и необходимость совершенствования геометрии лопаточных венцов первых трех ступеней.
Рис. 5 - Схема испытательного стенда
1 - приводные ГТД
2 - сумматор мощности
3 - мультипликатор
4 - ИКМ
5 - выходной дроссель
6 - объект испытаний
7 - входной ресивер
8 - входной дроссель
0.! I <, 2.4 3.2 ■! 0 4.3 i Ь Р. кг/си
Рис. 6 - Эпюры давлений по ступеням компрессора Рис. 7 - Эпюры температур по ступеням компрессора
Максимальные параметры, которые были получены на компрессорном стенде: степень повышения давления, пк* 8,0;
КПД компрессора, Ьад 0,840;
приведенная частота вращения, об/мин 12600.
Экспериментальная характеристика группы последних трех ступеней представлена на рис. 8.
Высокий уровень аэродинамических нагрузок на данных ступенях пока не был достигнут. Для более глубокого анализа структуры течения в компрессоре был выполнен ряд расчетных балансировок.
По замеренным данным и заданным значениям геометрических параметров ступеней итерационно определялись по высоте статические давления Р1 и Р2, скорости С1а и С1и, С2а, С1и, ^2,
икчгу :Н1МС1Н ИЯ см» 21. О.ЯЬ к
К«:тк
I..0
_,
/
[F i
i т
1
J
♦J
2» зм la j:c jad si» т. e
углы потока , p2, углы набегания потока на венцы 1рк, 1на, КПД ступеней пст, коэффициент напора
Нт , степень повышения давления пст .
Рис. 8 - Газодинамические характеристики группы ступеней 4-6
Диффузорность межлопаточного канала венцов по Либлейну определялась по зависимости:
D
рк
-1 --
W2 W,
(CiaetgPi - C2actgp 2) sin Pi
методом наименьших квадратов.
Рис. 9 - Зависимость фактора диффузорности в 4-5 РК по высоте лопатки
Рис.10 - Зависимость угла отставания и коэффициента потерь от угла атаки в решетке 4 РК по высоте лопатки
Распределение фактора диффузорности по Либ-лейну по высоте лопатки 4 РК показано на рис.9. Зависимости угла отставания и коэффициента потерь в решетках 4-5 РК от угла атаки по высоте лопаток представлены на рис.10-11. Втулочные сечения 4 РК, как следует из рисунка 10, работают с повышенными углами атаки, в области, в которой углы отставания зависят от углов атаки (углы отставания в этих сечениях 8= 15°^17°). Значения фактора диффузорности на втулке 4 РК достигают й№=0.6, что свидетельствует либо о неточности замеров (балансировок), либо о " глубоко" нерасчетном характере течения в данной области. Зависимость диффузорности входно-
рк
2 b/t C
1а
Коэффициент потерь в венце:
И
1 +-
AT
* Л
.(в + Pi* )-(b + P2)
2 ^
Pr
где ЬЛ - густота решётки; Р1 и Р2 - углы направления потока на входе и выходе из решётки.
Результаты балансировок основных параметров
.... V ■ !■ ' - - _j
ч, >
---1
-L.
го участка 4-5РК по параметру Аг / A1 представлена на рис.12.
по высоте РК четвертой и пятой ступеней представлены на рис. 9-12. Усредняющие кривые получены в результате полиномиальной аппроксимации
Рис. 11 - Зависимость угла отставания и коэффициента потерь от угла атаки в решетке 5РК по высоте лопатки
Рис. 12 - Зависимость значений XW1 от Аг / Ai в решетках 4-5 РК
+
С
w
1
та =
T
2
вх
Значительные величины Аг / А1 4РК еще раз
подтверждают предположение, что втулочные сечения имеют пониженный напор из-за неоптимального обтекания профилей в этих сечениях. Рабочее колесо пятой ступени имеет практически оптимальные значения параметров Аг /А^ = 1,07 + 1,15. Недополучение напора в этой ступени можно отнести на выбор очень высоких параметров ступеней с управляемой диффузорно-стью. В частности, это высокий уровень расчетно-
□ _
V
■г' и
- 1 »
*
1 ■
(¡1 ЯIV
ще
Ц11
ни яш тле
— - ричапш! ——«д^фцяпач^к^ЬнД^ ■ зчачачн | г П.-
■ ,,п'**1 ШНЙНН -ТР^л ? - [ ■ ■ »
го коэффициента диффузорности по Либляйну.
Данные экспериментальных исследований [6] позволяют утверждать, что часть недополученного напора можно объяснить повышенной интенсив-
ностью вихря перетекания через радиальный зазор, которая существенно зависит от градиента аэродинамической нагрузки по хорде лопатки. Для РК шестой ступени снижение КПД, обусловленное течением в зазоре, согласно модели Лакшминара-яна
Дп =
0.7 -Дг/Н ■ 2НТ
С08Р„
1 +10 ■
Сп
Дг/Ь
\2НТ С°8РОТ
¡4.7%
Исходя из вышеизложенного, целесообразно определить экспериментальные характеристики последних трех ступеней при демонтированных первых трех ступенях, а также произвести для них повторные замеры радиального зазора. Проведе-
ние подобных испытаний и дальнейшее накопление экспериментальных данных планируется в ближайшее время.
Заключение
Применение в шестиступенчатом компрессоре первых трех ступеней с параметром Я1и = 1,374+1,158 и группы последних ступеней спрофилированных на повышенный коэффициент затраченного напора позволило получить степень повышения давления пк* = 8,0, пад = 0,840 при ппр = 12600об/мин.
Расчетный анализ течения с использованием трехмерной вязкой модели подтвердил, что расчетные значения коэффициента напора на последних трех ступенях близки к проектным, однако на компрессорном стенде высокий уровень коэффициента напора не был достигнут.
Анализ расчетно-экспериментальных балансировок для последних трех ступеней показывает, что значительную часть недополученного напора можно отнести на неравномерную эпюру полного давления на входе в эти ступени. Поэтому целесообразно провести испытания отдельно группы ступеней, спроектированных по специальной методике без первых трех ступеней, обеспечив равномерность полей давлений и температур на входе в 4РК.
Литература
1. Холщевников К.В., Емин О.Н., Митрохин В.Т. Теория и расчет авиационных лопаточных машин. - М.: Машиностроение, 1986. - 432 с.
2. Бекнев В.С., Василенко С.Е., Сорокале-тов М.Ю., Тумашев Р.З., Шаровский М.А. Исследование компрессорных решеток с управляемой формой средней линии профиля. - Теплоэнергетика, №4.- 1997.- с.38-42.
3. Василенко С.Е., Огнев В.В., Тумашев Р.З. Влияние формы средней линии профилей на потери в концевых областях прямых компрессорных решеток. - Изв. вузов. Машиностроение, №2. - 1987.-С. 76-79.
4. Василенко С.Е., Спицын В.Е., Шаровский М.А. Совершенствование КНД ГПА 25 применением специального профилирования последних ступеней компрессора. Судовое и энергетическое машиностроение, т.1., Николаев: НПКГ "Зоря"-"Машпроект". - 2004. - 157 с.
5. Ершов С.В., Русанов А.В. Комплекс програм розрахунку тривимiрних течм газу в багатовенце-вих турбомашинах. Свщоцтво про державну рее-страцю прав автора на твiр, ПА№77. Державне агентство Укра'ни з авторських та сумiжних прав.-12.02.1996.
6. Лакшминараяна. Методы расчета влияния ра-
диального зазора в осевых турбомашинах. - Теоретические основы инженерных расчетов, 1970. -№3. -С. 64.
Поступила в редакцию 25.07.06 г.
Анота^я: У прац розглянут'1 результати розрахункового та експериментального анал1зу структури течИ' в шестиступеневому компресор1, останн1 три ступеня якого були спро-ектован1 методом заданого закону середньо!'л1нИ' м1жлопаткового каналу. Розглянут '1 найб1льш цкавi результати досл ¡джень компресора на стенд1.
Abstract: This paper shows the results of design and experimental analysis of flows structure in the six-stage compressor. Last three stages of the compressor have been designed according to the method of specified law of the blade channel medial line. The most interesting results of compressor investigation on the test stand are considered.
