Управление течением в радиальном зазоре рабочего колеса осевого компрессора Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Библиографический список

1. Чи, С. Тепловые трубы: Теория и практика / С. Чи. М. : Машиностроение, 1981. С. 207.

2. Suh, J.-S. Определение оптимальной дозы заправки рабочей жидкости в тепловых трубах : материалы 7-й меж-дунар. конф. / Jeong-Se Suh, Gie Sung Byun, Chang Ho Kang. Корея, 2003.

E. V. Krivov, A. A. Kulkov, Y. М. Golovanov, A. E. Dyudin, О. V. Shilkin, О. V. Zagar

ANALYSIS OF THE OPTICAL MASS OF WORKING FLUID FOR HEAT PIPE WITH AXIALLY GROOVED WICKS

It is presented revision of determination method of optimum dose for the heat pipes (HP) with axially grooved wicks priming from standpoints of theory on meniscus radius embedding. In the mathematical model swing of temperatures into HP account with blocking a part of condenser by the liquid. It is conducted the analysis of three types ofprofiles of heat pipes with axially grooved wicks.

ХЦК 533.697.242

А. А. Алексеев, А. И. Исаев, А. С. Матвиенко, А. Н. Черкасов, А. В. Ярош

УПРАВЛЕНИЕ ТЕЧЕНИЕМ В РАДИАЛЬНОМ ЗАЗОРЕ РАБОЧЕГО КОЛЕСА ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА

Отражены исследования особенностей течения в области радиальных зазоров рабочих колес осевых компрессоров. Результаты исследований позволили провести разработку способа управления течением рабочего тела в этой области.

Эффективность авиационных силовых установок с газотурбинными двигателями во многом зависит от совершенства аэродинамики осевых компрессоров. Разработчиками авиационных двигателей как у нас в стране, так и за рубежом особое внимание уделяется управлению течением в периферийной части рабочих колес (РК).

Это обусловлено тем, что значения запаса устойчивости, степени повышения давления воздуха и коэффициента полезного действия компрессора в значительной мере уменьшаются из-за перетекания рабочего тела (воздуха) через радиальные зазоры рабочих колес. Например,

Н. Кампсти [1] описывает способы управления течением при помощи надроторных устройств, применение которых приводит к увеличению степени повышения давления и в то же время к уменьшению значений коэффициента полезного действия компрессора. Отмечено, что добиться увеличения коэффициента полезного действия можно путем применения надроторных устройств, разработанных с учетом особенностей течения рабочего тела у корпуса рабочего колеса. Причем необходимо иметь представление о картине течения в области радиального зазора не только в относительном, но и абсолютном движении.

Цля выявления картины течения в абсолютном движении были проведены экспериментальные исследования течения в межлопаточном канале рабочего колеса на экспериментальной установке [2]. В состав экспери-

ментальной установки (рис. 1) входят: гидробассейн 1, рабочее колесо 2, прозрачный корпус рабочего колеса (гидроканал) 3, вал вращения 4, электродвигатель постоянного тока, система визуализации течения 5, пульт управления частотой вращения рабочего колеса 6, цифровая видеокамера.

Рис. 1

ной расчетной модели учитывается перепад температур на ТТ с учетом блокирования жидкостью части конденсаторной зоны за счет технологии изготовления и эксплуатационных условий (температурный диапазон работоспособности ТТ).

В качестве объекта исследования использовалось рабочее колесо со следующими геометрическими параметрами:

- диаметр корпуса Ок = 0,242 м;

- диаметр втулки d = 0,12 м;

- высота лопатки Н = 0,06 м;

- хорда лопатки Ь = 0,058 м;

- относительное удлинение лопатки И = 1,03;

- угол установки профиля лопатки g = 45о;

- шаг решетки г = 0,042 м;

- густота решетки на среднем радиусе Ь/г = 1,38;

- радиальный зазор Аг = 0,001 м;

- угол изгиба профиля 0 = 30о;

- максимальная толщина профиля стах = 0,003 м.

Геометрические параметры исследуемого лопаточного венца соответствуют лопаткам малого удлинения. Это позволяет анализировать процессы, протекающие в лопаточных венцах, которым присущи развитые вторичные течения. Например, в последних ступенях высоконапорных осевых компрессоров.

Частота вращения рабочего колеса регулируется с пульта управления путем изменения напряжения в электрической цепи электродвигателя. В эксперименте частота вращения п составляла 30 об/мин, число Рейнольдса для модели Rем = 5 • 105. Это обеспечивает работу рабочего колеса в области автомодельности по числу Рейнольдса для лопаточных венцов, так как число Rе больше критического ^ек = 2,5.. .3,5 • 105). Коэффициент осевой скорости са = са1и у втулки равен 0,66, а у корпуса - 0,26. Циапазон изменения коэффициента осевой скорости соответствует значениям для лопаточных венцов малогабаритных осевых компрессоров с относительно малым диаметром корпуса.

Цля визуализации течения в качестве подкрашивающей жидкости используется мелкодисперсионная тушь, разбавленная водой. Поверхность исследуемого рабочего колеса включая корпус дренирована отверстиями с диаметром 1 мм, к которым из расходного бака по трубопроводам подводится подкрашивающая жидкость (рис. 2).

Расход подкрашивающей жидкости регулируется кранами, расположенными на трубопроводах подвода к дренажным отверстиям. Регулирование проводится визуально таким образом, чтобы подкрашивающая жидкость из дренажных отверстий вытекала с минимальным значением нормальной к поверхности составляющей скорости.

Процесс визуализации снимается на цифровую видеокамеру, далее производится покадровая обработка материала. Применение цифровых технологий позволяет вывести исследование сложных течений в рабочем колесе на новый качественный уровень.

Процедура визуализации состоит из трех этапов:

- выделения области визуализации путем выборочного подключения дренажных отверстий к магистрали подвода подкрашивающей жидкости;

- регистрации картины течения в цифровом формате цифровой видеокамерой;

- компьютерной покадровой обработки отснятого материала.

Съемка осуществляется с использованием скоростного срабатывания видеозатвора с частотой 180 Гц, что позволяет получать четкую картину при высокой скоротечности процессов.

По результатам гидродинамического исследования получена картина абсолютного движения рабочего тела у корпуса компрессора (рис. 3). Анализ картины позволил выделить две области: в области «а» течение по направлению близко к направлению движения рабочего тела в ядре потока в межлопаточном канале; в области «б» наблюдается изменение направления движения из-за эффектов, вызванных наличием радиального зазора. Цви-жение рабочего тела в области «а» наиболее благоприятно по сравнению с движением в области «б», так как при взаимодействии с основным потоком в меньшей степени вызывает развитие вторичных течений. Полученная картина позволила уточнить особенности течения рабочего тела у корпуса и явилась основой для разработки способа управления.

Рис. 2

Рис. 3

Уменьшение вторичных течений от перетекания в радиальном зазоре можно осуществить за счет следующего:

- увеличения скорости течения рабочего тела в радиальном зазоре в направлении основного потока;

- уменьшения перетекания рабочего тела через радиальный зазор.

Для осуществления управляющего воздействия в радиальном зазоре предлагается на корпусе компрессора установить специальную неподвижную решетку (НР) профилей (надроторное устройство), представленную на рис. 4.

Решетка профилей задает направление движения рабочего тела у корпуса и уменьшает размеры области «б» (см. рис. 1).

Эффект от использования решетки будет максимальным, если межпрофильный канал обеспечит направление движения (расход) рабочего тела у корпуса нормальным к средней линии профиля рабочей лопатки в местах сопряжения профилей рабочей лопатки и неподвижной решетки. Это определяет условие связи геометрических параметров профилей решетки и профиля лопатки рабочего колеса, которое заключается в том, что касательные к средней линии профиля решетки должны быть перпендикулярны касательным к средней линии профиля лопатки в концевой части в любой точке их сопряжения.

Корпус

компрессора Профили НР Л0Патка РК

Рис. 4

Экспериментально получена картина течения у корпуса компрессора в абсолютном движении (рис. 5) при управляющем воздействии от неподвижной решетки. Анализ результатов показывает, что при управлении течением в радиальном зазоре рабочего колеса посредством неподвижной решетки профилей область обратных течений уменьшается, распределение параметров потока на выходе из рабочего колеса становится более равномерным. Это положительно влияет на характеристики рабочего колеса.

1.1 2.1 3.1 4.1 1.1

с упр. без упр.

Рис. 5

Одним из недостатков применения неподвижной решетки является то, что ее профили создают дополнительное гидравлическое (профильное) сопротивление, но с применением оптимальных геометрических параметров профилей неподвижной решетки эффективность данного способа управления возрастает.

Для количественной оценки влияния управления течением на характеристики рабочего колеса проведено газодинамическое исследование. Исследование проводилось на экспериментальной установке «Ступень осевого компрессора», в состав которой входят (рис. 6):

- нагнетающий или подпорный осевой вентилятор 1, исключающий создание разряжения на входе в рабочее колесо;

- ресивер 2, необходимый для выравнивания поля скоростей и давления на входе в рабочее колесо;

- входное устройство 3;

- рабочее колесо 4;

- привод рабочего колеса 5, выполненный на базе стартер-генератора ГСР-СТ-12000 Вт;

- отводной канал с заслонкой 6, предназначенной для изменения расхода воздуха через ступень.

Объектом исследования являлось рабочее колесо с установленной на корпусе в радиальном зазоре неподвижной решеткой профилей (см. рис. 4).

При проведении экспериментального исследования измерялись следующие параметры:

- р1* - полное давление на входе в рабочее колесо;

- р1 - статическое давление на входе в рабочее колесо;

- Т* - температура на входе в рабочее колесо;

-р2* - полное давление на выходе из рабочего колеса;

- р2 - статическое давление на выходе из рабочего колеса;

- п - частота вращения ротора;

- а2 - направление абсолютной скорости с2 на выходе из РК.

Давление измерялось пневмометрическим способом. Приемники полного и статического давлений изготавливались в соответствии с рекомендациями [3; 4].

Частота вращения рабочего колеса измерялась электронным частотомером Ч3-32.

Направление абсолютной скорости на выходе из рабочего колеса измерялось с помощью изготовленного координатника (рис. 7) с трехточечным приемником полного давления.

Был проведен поиск эффективного управления течением в радиальном зазоре. Уточнены оптимальные геометрические параметры решетки, в том числе и ее густота.

Определены значения степени повышения полного давления воздуха п в рабочем колесе, абсолютной скорости с?а на выходе из рабочего колеса, адиабатного напора Над, теоретического напора Нт и коэффициента потерь полного давления £ . По значениям Над и Нт

определялся параметр Над/Нт, характеризующий коэффициент полезного действия. При исследованиях на низконапорной ступени (как в эксперименте) методически эффективно представлять степень повышения полного давления п параметром п - 1. По результатам исследований, при постоянной частоте вращения п определены зависимости с2а, £ , п*к — 1 и Над/Нт от относительного радиуса г на различных углах атаки г (рис. 8-11). Относительный радиус определяется по формуле у = ( - увт)/( — увт), где г, г Вт, г к - радиусы исследуемого г-го сечения, втулки и корпуса соответственно.

Рис. 7

Исследование проводилось на рабочем колесе с относительным радиальным зазором Лг = 1 % (являющимся близким к оптимальному с точки зрения уменьшения вторичных течений от перетекания рабочего тела через радиальный зазор [5; 6]); рабочем колесе с относительным радиальным зазором Лг = 3% (реально применяе-

25

м/с

20

Д 15

10

с2а

А 1 * А і = 2°

ч

~*х>е *****

м/с

20

с2а

і = 6°

А .

ж оД**

0,5 0, 55 0 6 0, 65 0 Г 70, 75 0 —► 80, 85 0, 90, 95 1 Р

мым на авиадвигателях) без управления и на рабочем колесе с относительным радиальным зазором Лг = 3 % с управлением течения в радиальном зазоре (Лг = Лг/Ь , где Лг - величина радиального зазора, Ь - хорда концевой части лопатки).

Выявлено, что на углах атаки 0...20 (рис. 8-11) управляющее воздействие начинает проявляться (увеличиваются осевая составляющая абсолютной скорости, напорность и коэффициент полезного действия, уменьшаются потери). На больших углах атаки (4.6°) (рис. 8-11) эффективность от управления течением возрастает, и можно добиться улучшения характеристик по сравнению с применением близкого к оптимальному радиального зазора Лг = 1 %. Управление течением в радиальном зазоре на предсрывных режимах (углах атаки 4.6°) позволяет в концевых сечениях рабочих лопаток уменьшить коэффициент потерь полного давления на 22 %, увеличить параметр (п*к -1) на 36 %, значения параметра Над/Нт возрастают на 30 % по сравнению со значениями, полученными на исходном рабочем колесе.

Полученные осредненные характеристики рабочего колеса (рис. 12) свидетельствуют о том, что применение неподвижной решетки профилей особенно при малых расходах воздуха (коэффициентах осевой скорости са) приводит к увеличению напорности рабочего колеса, коэффициента полезного действия и запаса газодинамической устойчивости.

Разработанный способ управления течением в радиальном зазоре можно использовать для улучшения характеристик осевых компрессоров и повышения эффективности авиационных силовых установок в целом.

Библиографический список

1. Кампсти, Н. Аэродинамика компрессоров / Н. Кам-псти. М. : Мир, 2000. 688 с.

25

м/с

20

и 15

с2а

і = 4°

-

-ЯР ... ^ 50 > “♦ ♦-

К

0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1

г --------------------Ь*

0,5 0,55 0,6 0,65 _ 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1

Г ------------------►

* - без управления, при Аг = 1%

—*...... - без управления, при Аг = 3%

—А------ - с управлением, при Аг = 3%

Рис. 8

0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

i = 4°

X /

Х_Х-> с-* *■ >гх“* С -х ю Л**

. -♦» * ♦ и 4 ■ V* Г

0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

1 - 6°

у

^•-Х) А

”5Г *

♦

* - без управления, при Аг = 1%

—-х.... - без управления, при Аг = 3%

---*--- - с управлением, при Аг = 3%

0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1

Рис. 9

пр к — 1 °,002 0,0015

0,001

0,0005

0,005 0,0045 0,004 0,0035 0,003 0,0025

Пр.к — 1 0,002

0,0015 0,001 0,0005

*

_| 1 - 6‘

х-* * С.Х-Х ^-803

>сх^

без управления, при Аг = 1% без управления, при Аг = 3% с управлением, при Аг = 3%

0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1

Г -----------------►

Рис. 10

- без управления, при Аг = 1%

- без управления, при Аг = 3%

- с управлением, при Аг = 3%

£

• =

Рис. 11 135

2. Алексеев, А. А. Анализ пристеночного течения в рабочем колесе осевого компрессора по результатам гидродинамического исследования / А. А. Алексеев [и др.] / / Механика и процессы управления. Т. 1 : тр. 34-го Ур. семинара по механике и процессам упр. Миасс : Уральское отделение РАН, 2004. С. 157-168.

3. Брусиловский, И. В. Аэродинамика осевых вентиляторов / И. В. Брусиловский. М. : Машиностроение, 1984. 240 с.

4. Преображенский, В. П. Теплотехнические измерения и приборы : учебник для вузов по специальности «Автоматизация теплоэнергетических процессов» /

B. П. Преображенский. 3-е изд., перераб. М. : Энергия, 1978. 704 с.

5. Сторер, Д. Взаимодействие перетеканий в радиальном зазоре с потоком в решетке осевого компрессора / Д. Сторер // Новости зарубежной науки и техники. 1990. № 9. С 16. (Серия «Двигатели для авиации и космонавтики»).

6. Лакшминараяна, Б. Трехмерное поле течения в периферийной области рабочего колеса компрессора / Б. Лакшминараяна, М. Пуагар, Р. Давино // Труды Американского общества инженеров - механиков. 1982. № 4.

C. 43. (Серия «Энергетические машины и установки»).

“рк"

0,0045 -0,004 -0,0035 -0,003 0,0025 0,002

АГ = 1% АГ = 1%

Аг = АГ = 3%/А 3%/ А i = 3%

0,0015 — *

0,001 —

0,0005 —

0

0,25 0,3

■ без управления, при

■ без управления, при

■ с управлением, при

Я

Рис. 12

A. A. Alekseev, A. I. Isaev, A. S. Matvienko, A. N. Cherkasov, A. V. Yarosh

THE CONTROL OF FLOW IN A RADIAL SPACE OF AN AXIAL-FLOW COMPRESSOR

The research of feature flow in the area of radial spaces ofrunners ofaxial-flow compressors is discussed in the article. The results of researches have allowed to make effective way of control by the flow in this field.

УЦК 629.7.01:539.4

В. И. Сливинский, Г. В. Ткаченко, М. В. Сливинский, В. Е. Гайдачук, А. В. Гайдачук

НОВАЯ КОНЦЕПЦИЯ ОПТИМИЗАЦИИ ПО МАССЕ СОТОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ КАРКАСОВ ПАНЕЛЕЙ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ И НЕГЕРМЕТИЧНЫХ ПАНЕЛЕЙ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Изложен общий концептуальный подход к оптимизации по массе сотовых конструкций каркасов панелей солнечных батарей и негерметичных панелей космических аппаратов.

В мировой практике создания космической техники все шире применяются трехслойные конструкции с сотовым заполнителем (СЗ) с использованием как в несущих обшивках, так и в сотовом заполнителе полимерных композиционных материалов (ПКМ). Этот тип конструкций в наибольшей степени позволяет реализовать самые высокие показатели удельной прочности и жесткости при минимальной массе, являющейся определяющим параметром их эффективности.

Такие конструкции наиболее часто используются в виде панелей каркасов солнечных батарей (СБ) и негерметичных корпусов спутников [1; 2].

Концепция оптимизации по массе сотовых конструкций. В результате многолетней работы авторов над

проблемой оптимизации по массе сотовых конструкций (СК) космического назначения панельного типа была выработана концепция их создания. Концепция основана на комплексной реализации следующих принципов:

- исключение зон конструкций, в которых имеет место неполное использование прочности материала путем применения супертонких препрегов с толщинами порядка диаметра армирующего волокна, получаемых специальной технологией раскатки пасм углежгутов;

- формирование структуры несущих обшивок, максимально приближенной к силовым потокам от эксплуатационных воздействий;