автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Движение пылевоздушного потока в осесимметричном дозвуковом воздухозаборнике с роторным воздухоочистителем

На правах рукописи

т оя

ГУЗАИРОВ Альберт Ринатов^чф Р - ]

ДВИЖЕНИЕ ПЫЛЕВОЗДУШНОГО ПОТОКА В ОСЕСИММЕТРИЧНОМ ДОЗВУКОВОМ ВОЗДУХОЗАБОРНИКЕ С РОТОРНЫМ ВОЗДУХООЧИСТИТЕЛЕМ

Специальность 05.07.05 - "Тепловые двигатели летательных аппаратов"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа 2000

Работа выполнена в Уфимском государственном авиационном техническом университете на кафедре "Прикладная гидромеханика"

Научный руководитель - кандидат технических наук,

доцент Еникеев Г.Г.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Итбаев В.К., кандидат физ.-мат. наук, доцент Косолапов Е.А

Ведущее предприятие - Моторостроительное конструкторское бюро (МКБ), г. Омск

4900

Защита диссертации состоится Ц&КЯМрЛ 2000 г. в час. на заседании диссертационного совета К 063.17.04 при

Уфимском государственном авиационном техническом университете (450000, г. Уфа, ул. К. Маркса, 12)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан --/7 - {¿сЛЬрЯ 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета: доктор технических наук, профессор С^^С

А. М. Смыслов

О^М-ОМ.ЛСИ-МО

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Эксплуатация в условиях запыленной атмосферы вызывает ускоренный износ деталей, ухудшение аэродинамических характеристик элементов проточной части, снижает надежность, экономичность и ресурс ГТД.

Стабилизация характеристик ГТД в таких условиях возможна за счет рационального проектирования геометрии элементов проточной части, применения материалов и покрытий, стойких к абразивному и эрозионному износу, а также установки на входе в ГТД воздухоочистителей, в частности баллистических и роторных.

В настоящее время созданы и успешно эксплуатируются, преимущественно на вертолетах, баллистические воздухоочистители, способные очищать воздух как от капельной влаги, так и от твердых частиц. В нашей стране разработаны и прошли испытания роторные воздухоочистители, предназначенные для очистки воздуха от капельной влаги. Роторные воздухоочистители представляют собой лопаточную машину (приводную или самовращающуюся) осевого типа, устанавливаемую либо на входе, либо внутри канала воздухозаборника. Для ТРД, ТРДД, ТВлД, а также ТВД с выносным или несоосным редуктором винта предпочтительно применение самовращающегося воздухоочистителя, установленного в воздухозаборном устройстве, имеющем осесимметричную, либо близкую к осесимметричной, форму.

Преимуществом роторных воздухоочистителей перед баллистическими является то, что им присущи относительно меньшие осевые габариты, более медленное снижение эффективности очистки воздуха с увеличением масштаба устройства, а также более полное использование скоростного напора набегающего потока. Однако система "воздухозаборник - роторный воздухоочиститель" недостаточно исследована применительно к защите ГТД летательных аппаратов (ЛА) от мелкодисперсных твердых частиц, поэтому работа, направленная на исследование рабочего процесса, совершенствование их схем и имеющая целью выявление возможности н путей создания работоспособных роторных воздухоочистителей, является актуальной. Актуальным является также получение ответа на вопрос о возможности адаптации уже имеющихся роторных воздухоочистителей, предназначенных для очистки воздуха от капельной влаги, к работе в условиях запыленной атмосферы, поскольку для амфибийных транспортных средств такие режимы являются характерными. Кроме того, с позиций прогнозирования эрозионного воздействия твердых частиц на ГТД, а также осуществления мероприятий по его защите актуальным является получение количественных зависимостей, описывающих параметры дисперсной фазы в канале воздухозаборника.

Целью работы является создание методики расчета и исследование закономерностей движения двухфазного потока "воздух - твердые части-

цы" в осесимметричном дозвуковом воздухозаборнике, а также оценка возможности защиты ГТД, при работе в запыленной атмосфере, с помощью роторных воздухоочистителей.

Задачи работы.

1. Разработка методики расчета движения двухфазного потока "воздух - твердые частицы" в осесимметричном дозвуковом воздухозаборнике.

2. Расчетно-теоретическое исследование обтекания осесимметрич-ных дозвуковых воздухозаборников двухфазным потоком с малой концентрацией твердых частиц.

3. Разработка модели расчета динамики твердых частиц в роторном воздухоочистителе.

4. Исследование эффективности отделения твердых частиц в роторных воздухоочистителях, предназначенных для очистки воздуха от жидких аэрозолей.

5. Анализ системы "воздухозаборное устройство - самовращающийся воздухоочиститель" с позиции создания пылезащитных устройств.

Методы исследования. В работе применялись расчетно-теорети-ческие и экспериментальные методы исследования, методы теории подобия и размерностей, теории планирования эксперимента и математической статистики.

Научная новизна.

1. Разработаны математическая модель и алгоритм расчета пространственного движения мелкодисперсных твердых частиц, взвешенных в воздушном потоке, в осесимметричных дозвуковых воздухозаборниках с учетом внешнего обтекания и характера взаимодействия с ограничивающей поверхностью, основанные на определении поля течения воздушного потока методом наложения потенциальных потоков и расчете движения в этом поле частиц под воздействием инерционных сил, силы аэродинамического сопротивления, силы Магнуса и силы тяжести.

2. Для воздухозаборника серии В-50 (Кюхеман, Вебер) в исследованном диапазоне параметров (диаметр горла D, =0,25...2,00 м; скорость воздуха в горле С, = 40... 120 м/с) получена зависимость коэффициента захвата частиц (¿=(10...1000)-10"6м; рр=2600 кг/м3) от отношения скоростей (кш/С,) в диапазоне 0...1Д в виде полинома пятой степени с погрешностью 0,12.

. 3. Показана принципиальная возможность очистки воздуха, поступающего в ГТД, от мелкодисперсных твердых частиц с помощью роторных воздухоочистителей, предназначенных для очистки воздуха от капельной влаги.

4. Обоснована и показана возможность достижения в воздухозабор-ном устройстве с самовращающимся воздухоочистителем (диаметр входа £>вх=0,296 м, расход воздуха G=1...3 кг/с, с=0,97...0,98) коэффициента очистки воздуха т)=0,78—0,80 от кварцевых частиц (d = 500-Ю"6 м).

Практическая ценность.

1. Разработанная методика расчета движения мелкодисперсных твердых частиц в осесимметричных воздухозаборниках и полученные количественные зависимости могут быть использованы при разработке роторных и баллистических пылезащитных устройств, а также для определения граничных условий на входе в ГТД при разработке мероприятий по его защите от эрозии и при проектировании систем противообледенения.

2. Предложенная модель расчета и результаты исследований динамики твердых частиц в решетках самовращающихся воздухоочистителей рекомендуются к использованию при разработке универсальных (предназначенных для очистки воздуха как от жидких, так и от твердых частиц), а также специально предназначенных для очистки воздуха от мелкодисперсных твердых частиц, воздухоочистителей.

Достоверность полученных результатов работы основана на использовании при создании моделей расчета уравнений механики многофазных сред, известных и апробированных вычислительных методов, обоснованностью принятых допущений, сравнении и удовлетворительном совпадс-нии полученных результатов с результатами других авторов (Г. С. Самой-лович, У. Табаков, А. Хамед, В. Краус), и экспериментальными данными.

На защиту выносятся: 1) методика расчета пространственного движения мелкодисперсных твердых частиц, взвешенных в воздушном потоке, вблизи и внутри осесимметричных дозвуковых воздухозаборников с учетом внешнего обтекания и характера взаимодействия с поверхностью; 2) результаты расчетно-теоретического исследования движения твердых частиц в осесимметричных дозвуковых воздухозаборниках; 3) модель расчета динамики твердых частиц в роторном воздухоочистителе; 4) результаты параметрического исследования эффективности отделения твердых частиц в воздухоочистителе для жидких аэрозолей; 5) результаты расчетно-экспериментального исследования очистки воздуха от пыли в самовращающемся воздухоочистителе малоразмерного ГТД.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях: "Экраноплан-96" (г. Казань, 1996 г.); "Проблемы и перспективы развития двигателестроения в Поволжском регионе" (г. Самара, 1997 г.); "Проблемы и перспективы развития двигателестроения в Поволжском регионе. Проблемы конструкционной прочности двигателей" (г. Самара, 1999 г.), на международном симпозиуме по проблемам конструкции авиационных двигателей (г. Уфа, 1999 г.).

Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 6 работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка литературы в количестве 104 наименований и приложений. Содержит 178 страниц машинописного текста, в том числе 12 страниц приложений, 9 таблиц, 80 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работы и сформулированы ее цель, задачи, научная новизна и практическая ценность.

В первой главе рассмотрены особенности работы ГТД в условиях запыленной атмосферы. Приведены литературные данные о структуре запыленных потоков, основных причинах и последствиях попадания посторонних частиц в двигатели JIA, способах защиты ГТД от эрозии. Представлена классификация воздухоочистительных устройств авиационных ГТД, отмечены их достоинства и недостатки. Указывается, что применение роторных воздухоочистителей для защиты ГТД JIA от пыли практически не исследовано. Вместе с тем, положительные результаты использования специально разработанных роторных воздухоочистителей для защиты авиационных ГТД от морских аэрозолей делают привлекательным исследование возможности применения подобных устройств и для защиты ГТД от твердых мелкодисперсных частиц. Кроме того, ГТД амфибийных транспортных средств, например экранопланов, работают в условиях попадания как капельной влаги, так и мелкодисперсных твердых частиц. Поэтому представляется также целесообразным исследование возможности и путей адаптации уже существующих воздухоочистителей ГТД, предназначенных для очистки воздуха от капельной жидкости, к работе в условиях запыленного воздуха. Решение указанных задач сопряжено с возможно более детальным изучением параметров пылевоздушного потока в проточной части воздухозаборного устройства с роторным воздухоочистителем и целенаправленным формированием ее геометрии, а также выбором режимных параметров работы устройства. Возможности экспериментального изучения движения частиц весьма ограниченны по техническим и экономическим причинам и сводятся, в основном, к получению интегральных данных по перераспределению частиц и локальных данных о структуре потока в ограниченном количестве точек для ограниченного количества моделей. Многократно большие возможности изучения движения частиц могут дать расчетно-теоретические методы, при должном уровне их совершенства.

Исходя из вышеизложенного и на основе анализа существующих работ и методик расчета однофазных и двухфазных потоков в воздухозаборниках и турбомашинах, сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Вторая глава посвящена математическому моделированию движения воздуха с твердыми частицами в осесимметричном дозвуковом воздухозаборнике и роторном воздухоочистителе.

Исследование движения смеси воздушного потока с частицами возможно на основе механики многофазных сред, которой посвящены работы Р. И. Нигматулина, JI. Е, Стернина, 3. Р. Горбиса, А. А. Шрайбера, Н. А. Фукса, С. Coy, Э. Орана и Дж. Бориса и др.

С учетом сделанных допущений и конкретизации уравнений, выражающих законы сохранения массы, импульса и энергии, решение задачи изучения движения двухфазного потока в воздухозаборнике и воздухоочистителе сводится к определению поля скоростей несущего потока (воздуха) и расчету в этом поле движения частиц.

Излагается методика расчета движения двухфазного потока в воздухозаборнике. Расчет поля течения несущего воздушного потока в воздухозаборнике с учетом его внешнего обтекания для заданных условий (скорость невозмущенного потока Ко, угол атаки воздухозаборника а и массовый расход воздуха О) основывается на методе наложения потенциальных потоков, развитом в УАИ на основе работ Н.Д. Фабриканта, Дж. Элберса и Н. Стокмана для случая пространственного обтекания осесимметричного дозвукового воздухозаборника (рис. 1). В качестве простейших потоков используются распределенные по поверхности воздухозаборника вихри, пространственные источники, стоки н поступательный поток. Трудности, связанные с расчетом скорости и ее составляющих вблизи особых точек, преодолеваются с помощью метода линейной экстраполяции значений составляющих скорости в двух точках (узлах экстраполяции), расположенных по нормали к поверхности воздухозаборника. Приводятся результаты тестовых расчетов автора в сравнении с имеющимися в литературе данными.

—V.1.1.'.

?7Г

Усо

а.

а)

б)

Рис. 1. Расчетная схема воздухозаборника

Расчет движения твердых частиц в воздухозаборнике производится с привлечением дифференциального уравнения движения одиночной сферической частицы под воздействием сил аэродинамического сопротивления, Магнуса и тяжести, которое имеет вид:

Л 4 р

С-У

Рр

(С-У)хш ! + В,

(1)

где р и р,- плотности воздуха и вещества частицы; <1 - диаметр частицы; С и V - абсолютные скорости воздуха и частицы; С„ - коэффициент аэродинамического сопротивления сферической частицы, обтекаемой потоком

воздуха; С„ - коэффициент силы Магнуса, теоретические значения которого находятся в интервале 0,75...2 для сферы (Р.И. Нигматулин (1978)); <ор - угловая скорость вращения твердой частицы; § - ускорение силы тяжести. Уравнение (1) решается в виде системы дифференциальных уравнений в проекциях на оси цилиндрической системы координат (г, 0, г).

Рассмотрены условия взаимодействия частицы с ограничивающими поверхностями и изменение ее угловой скорости. Нормальная и тангенциальная к поверхности составляющие скорости частицы в момент удара определяются соответственно по следующим формулам (А. Хамед)

^ = у„ = \-1- т^Г", (2)

где N, Т - единичные векторы в направлениях соответственно местной нормали и касательной к поверхности в точке соударения.

В качестве параметров, характеризующих поведение отскакивающей твердой частицы, рассматриваются коэффициенты восстановления скорости еу (отношение скорости отскока к скорости падения) и угла ер (отношение угла отскока к углу падения). Приводятся обобщенные данные по ег и eß для ряда материалов. Определяя составляющие скорости рикошети-

рования V]K и V2T, зная направляющие косинусы единичных векторов N и

Т, вычисляются составляющие скорости отскока частицы v2. Считается, что основной причиной вращения частицы являются тангенциальные импульсы в точке контакта соударяющейся частицы с ограничивающей поверхностью. Угловая скорость частицы в момент соударения опреде-" ляется на основе работ A.A. Шрайбера и др. (1980) и Ю.Н. Кривенко (1970) по формуле

,Г„ (5er+2)J 10(1-ет)t, -ш„-—j——^—r'TU' w'

где а'р - вектор угловой скорости частицы до соударения; ет- коэффициент

восстановления тангенциальной составляющей скорости частицы; B = TxN - вектор единичной бинормали. Величина угловой скорости частицы после соударения с ограничивающей поверхностью определяется из уравнения вращательного движения частиц согласно работе Ю. Н. Кривенко (1970).

Процедура численного решения состоит из следующих этапов: а) математическое представление поверхности воздухозаборника на основе кубических сплайнов и разбиение ее на элементы; б) определение параметров несущего потока с возможностью прямого вычисления скоростей в любой области течения; в) расчет траекторий частиц и их скоростей вдоль траекторий путем численного интегрирования уравнения (1) на основе алгоритма Рунге - Кутта пятого порядка с переменным шагом по времени

(М. Форсайт и др. (1980)); г) вычисление координат точек соударения частиц с ограничивающими поверхностями комбинацией методов бисекции и секущих (М. Форсайт и др. (1980)), исходя из расчетной траектории частицы и формы поверхности, на которую она попадает, если расстояние между ними становится меньше диаметра частиц; д) определение характеристик отскакивания частиц на основе кинематических соотношений, описывающих упругий удар частицы о поверхность; е) расчет траекторий частиц после отскока. Рассматривается порядок расчета коэффициента захвата частиц, концентрации и закона распределения частиц по размерам в воздухозаборнике. Методика расчета пространственного движения двухфазного потока "воздух - твердые частицы" в воздухозаборнике произвольной в меридиональном сечении геометрии позволяет определять траектории движения, кинематические параметры и характер перераспределения частиц с учетом внешнего обтекания при дозвуковых скоростях течения (М<0,4), отсутствии эффектов вязкости, сжимаемости, вторичных явлений и срыва потока, а также с учетом упругого взаимодействия частиц с ограничивающими поверхностями.

Приводится модель расчета динамики твердых частиц в роторном воздухоочистителе. Рассматривается движение частицы в подвижной системе координат (г, 9, г), связанной с лопаточным венцом (рис. 2). Для

Рис. 2. Расчетная схема роторного ВОго, среднего и периферийного

радиусу также находятся методом интерполяции. Для определения скорости несущего потока в любой точке межлопаточного канала используется методика расчета, изложенная в работе Г.С. Самойловича, В.В. Нитусова (1986), в которой рассматривается обтекание решетки профилей плоскопараллельным потенциальным потоком идеальной несжимаемой жидкости на основе интегральной формулы Коши. Движение частиц определяется численным интегрированием системы дифференциальных уравнений

аппроксимации пространственной геометрии лопаток поверхность лопатки задается тремя (корневым, средним и периферийным) сечениями л=соп51, причем форма профиля в каждом сечении определяется координатами ряда точек. Для математического описания формы профиля лопатки используются кубические сплайны. Геометрические параметры лопатки в промежуточных сечениях находятся посредством интерполяции. Данные по течению на входе в решетку задаются для корне-

воздухоочистителя

цилиндрических сечений, по которым величины скорости потока по

относительного движения частицы под воздействием сил аэродинамического сопротивления в межлопаточном канале ротора во вращающейся системе координат (Г. Ю. Степанов, И. М. Зицер (1986), Г. А. Филиппов, О. А. Поваров (1980)). В точке соударения частицы с лопаткой вектор в направлении нормали определяется по двум производным следующим образом (Бичер, Табаков, Хамед (1982)):

a = —к, (4)

dz дг

где i, j, k - основные векторы в направлении г, виг соответственно, гр -радиальная координата частицы. Составляющие скорости падения и параметры восстановления рикошетирующих частиц определяются из соотношений, рассмотренных выше, где вместо абсолютной скорости частицы V следует рассматривать относительную скорость Wp. Представлены результаты тестовой задачи о движении частиц в решетке. Приводится порядок расчета эффективности отделения твердых частиц в ступени роторного воздухоочистителя.

Третья глава посвящена расчетному исследованию движения твердых частиц в осесимметричных дозвуковых воздухозаборниках. Рассмотрены основные особенности динамики твердых частиц в воздухозаборниках на основе данных многопараметрического исследования монодисперсного двухфазного течения. Вычислительный эксперимент проводился в направлении изучения траекторий движения, изменения концентрации, перераспределения и отставания частиц от воздушного потока. Приведены схемы воздухозаборников. Представлены результаты вычислительного эксперимента в исследованном диапазоне параметров (диаметр горла воздухозаборника £>;=0,25...2,00 м; скорость воздуха в горле воздухозаборника С, =40...120 м/с; плотность воздуха р=1,226 кг/ м3; коэффициент динамической вязкости воздуха ц=18,26-10"6 кг/(м-с); диаметр частиц ¿=(10...1000)-10"6м) для случая осесимметричного обтекания воздухозаборника. Показаны траектории частиц (р/,=2600 кг/м3) в воздухозаборнике В-50 (Кюхеман, Вебер), анализ которых свидетельствует о существенном влиянии отношения скоростей (Кш/С,) на движение и перераспределение частиц. Для каждого достаточно крупного размера частицы существует такое значение (кю/Су), которое соответствует минимуму коэффициента захвата частиц в воздухозаборнике (рис. 3). Зависимость коэффициента у от отношения скоростей (vx / С ¡) можно аппроксимировать полиномом пятой степени

Приводятся значения коэффициентов а0 а{ а2, а,, а4 и а,, полученные по методу наименьших квадратов для ряда чисел Рейнольдса

Re = PCUV и

Стокса ^к^у^у^1/^Ъе, позволяющие вычислять у по уравнению (4)

для /С;) в диапазоне 0...1.1.

Решая задачу минимизации уравнения (4), определялись значения минимального коэффициента захвата \|/тЬ]. На основе регрессионного анализа данных по ху^ получено соотношение

¥ть=О,788кеа0!б51к-°'Юб, (5)

устанавливающее функциональную зависимость коэффициента у, который соответствует минимуму попадания частиц в воздухозаборник, от чисел Яе и определяющих соответствующие режим работы воздухозаборника и параметры частиц. При 10000 коэффициент ут!п асимптотически стремится к некоторому предельному значению \|/т!п =0,35...0,40.

1,3

1,2 1,1 1, 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5

Рис. 3. Влияние отношения скоростей (Исо/С/) на изменение коэффициента захвата Ц1 частиц в воздухозаборнике В-50 (Re=5,37-106)

/ -Stk=l,52;

2 - Stk=152;

3 - Stk=607.

1,0 1,2 Vw/Ci

Отставание (коэффициент скольжения v) частиц от несущего потока весьма существенно зависит от отношения {v^/C¡), особенно во входном сечении. Поскольку важное значение имеет статистический характер результатов определения v, получена количественная зависимость вероятного коэффициента v от отношения плотностей (рр/р)= 816...3426, отношения скоростей (f^/C, )=0... 1,6, отношения диаметров (d/D¡)=

(5...1000) -10"4, числа Рейнольдса Re=(0,671... 16,Ю7)-106 и отношения (L/Dbx)=0...1,22 (где L - расстояние по оси от среза воздухозаборника, Dbx - диаметр входного сечения) в виде полной квадратичной модели.

Рассмотрено влияние относительной толщины, формы обечайки и геометрии канала воздухозаборника на движение частиц. Форма входной кромки обечайки (воздухозаборники А-50 и С-50 (Юохеман, Вебер)) оказывает некоторое влияние на изменение коэффициентов захвата и отставания частиц. При Va=0 величина у=1, независимо от геометрии воздухозаборника и диаметров частиц. Профилирование внутренних обводов обечайки и установка центрального тела в канале воздухозаборника

приводят к качественному изменению картины движения частиц. При движении мелких частиц происходит их оттеснение от оси и от поверхности обечайки и образование более высокой концентрации в ядре потока. Траектории частиц, обладающих большей инерцией, меньше зависят от аэродинамических сил и больше - от рикошетов (рис. 4).

И. м

Рис. 4. Траектории твердых частиц в воздухозаборнике с центральным телом: Ке=5,37-106; (к„/С, )=0; 31к=152

Изменение геометрии канала воздухозаборника существенно влияет на картину движения и характер рикошетирования частиц. При этом местная концентрация частиц может во много раз превышать среднюю. Рассмотрено влияние относительного диаметра и относительной длины центрального тела на траектории частиц. Показаны расчетные траектории твердых частиц в воздухозаборнике типа "гриб" вертолетного двигателя и зависимость коэффициента захвата частиц от отношения (Кш/С,). Выполнены расчеты и рассмотрено влияние масштаба воздухозаборника, сил тяжести и Магнуса, отражающих свойств материала ограничивающих поверхностей и косого обдува на характер движения частиц.

В четвертой главе исследована эффективность очистки воздуха от мелкодисперсных твердых частиц в самовращающемся воздухоочистителе. Глава состоит из двух разделов. В первом разделе рассмотрена конкретная задача изучения возможностей реально существующего самовращающегося воздухоочистителя (рис. 5), предназначенного для очистки воздуха от капельной влаги, по очистке воздуха от мелкодисперсных твердых частиц, а также поиска путей их повышения.

В качестве граничных условий в потоке перед рабочим колесом использовались профили абсолютных скоростей, полученные на основе расчетов воздухозаборника согласно гл. 2. При этом радиальные составляющие скорости не учитывались вследствие их малости. Вычислительный

эксперимент проводился для частного случая, в предположении, что на входе в решетку частицы движутся только в осевом направлении и их перераспределение по радиусу отсутствует. Коэффициент скольжения частиц V в начале траекторий задавался с учетом реальных значений V, рассмотренных в гл. 3. Концентрация частиц принималась постоянной перед ступенью.

Рис. 5. Схема воздухозаборника с самовращающимся воздухоочистителем (УАИ) для жидких аэрозолей: 1 - обечайка воздухозаборника; 2, 5 -центральное тело; 3 - решетка воздухоочистителя; 4 - стойка; 6 - корпус компрессора двигателя.

На основании анализа траекторий движения частиц в межлопаточном канале решетки из Б-образных профилей было выявлено, что основными зонами соударения частиц с поверхностью лопаток являются вогнутые участки профилей лопаток. В отличие от жидких частиц, твердые частицы интенсивно взаимодействуют и с вогнутой поверхностью турбинного участка Б-образного профиля лопатки. Частицы первоначально соударяются с вогнутой поверхностью компрессорного участка профиля набегающей лопатки и после рикошета движутся в окружном направлении в сторону вращения ротора, где основная их часть повторно соударяется уже с вогнутой поверхностью турбинного участка профиля.

В исследованном диапазоне параметров (С,= 55,5...124,6 м/с;

Ш/С)ср=0,45; у=0,б...0,9) произведена расчетная оценка эффективности отделения твердых частиц в натурном воздухоочистителе (рис. 6). Изменение скорости С, воздушного потока в горле воздухозаборника в исследог ванном диапазоне существенного влияния на коэффициент ^ не оказало.

Рассмотрено влияние изменения отношения скоростей ((7/С)ср в диапазоне 0,45...0,80, густоты и относительной ширины лопаточного венца самовращающегося воздухоочистителя на расчетные зависимости фракционного коэффициента очистки и аэродинамические показатели ступени воздухоочистителя. Представлены результаты расчета сепарации частиц в модификациях исходной ступени воздухоочистителя при изменении: угла наклона у лопаток в окружном направлении; угла стреловидности % лопатки; масштаба геометрического моделирования; отражающих свойств

1 2 3 4 5 6

материала поверхности лопаток. При увеличении угла у эффективность отделения частиц улучшается более интенсивно для крупных частиц, что обусловлено существенным влиянием соударений частиц с вогнутой поверхностью набегающей лопатки на траектории их последующего движения. Уменьшение размерности в 4,4 раза приводит к росту коэффициента ц (в среднем на 0,15). Увеличению эффективности отделения твердых частиц в воздухоочистителе способствуют, также, стреловидность лопаток и использование лопаток из материалов с отражающей способностью, улучшающей движение частиц в радиальном направлении.

Л 0,71----:—-

X -v = 0,6, № 124.6 м/с; ° -v = 0,6,№88,¿м/с; ° -v = 0,6,Ci= 55,5 м/с; * -v = 0,9,0=124,6 м/с;

-9 - v = 0,9 № 88,g м/с;

° -v = 0,9,0= 55,5 м/с;

и 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

d, мкм

Рис. 6. Эффективность отделения твердых частиц в самовращающемся воздухоочистителе

Таким образом, самовращающийся воздухоочиститель, предназначенный для очистки воздуха от капельной влаги, можно, в некоторой степени, приспособить и для отделения твердых частиц.

Второй раздел главы посвящен рассмотрению возможности применения самовращающегося воздухоочистителя, предназначенного преимущественно для очистки воздуха от твердых частиц, для защиты малоразмерного двигателя от попадания частиц песка.

Приводятся особенности профилирования, компоновка и основные параметры воздухоочистителя НИЛ СХ ГТД УГАТУ.

Самовращающийся воздухоочиститель представляет собою осевую ступень со специально спрофилированными лопатками. Он установлен в канале воздухозаборника и включает направляющий аппарат, рабочее колесо и спрямляющий аппарат. Воздухозаборник оснащен коллектором для сбора и удаления пыли.

Рассмотрена методика проведения и обработки результатов испытаний воздухоочистителя на стенде НИЛ СХ ГТД УГАТУ. Представлены

v = 0 1

> "Г ) «г --- f х л, = 0.9

1

/ х -v = 0,6, № 124.6 м/с; ° -v = 0,6,№88,¿м/с; ° -v = 0,6,№ 55,5 м/с; * -v = 0,9,0= 124,6 м/с; □ - v = 0,9 0= 88,$ м/с; ° -v = 0,9,0= 55,5 м/с;

/

t

экспериментальные данные эффективности отделения частиц пыли в самовращающемся воздухоочистителе. На рис. 7 показаны зависимости коэффициентов очистки воздухозаборника со ступенью воздухоочистителя ( т/'0) и без ступени воздухоочистителя ( 1]\ъ ) от числа Яе по полученным

экспериментальным результатам для (1 = 500-10"6 м, на основе которых определялся коэффициент очистки ступени воздухоочистителя из соотношения Т}3= 7]ЪВ0- Т]*з .

О,'

1 |

—-г—М-- из_1

-о —

1 ^ □

1

1

к /

- к —X—

3-К? 4-Н? 5'10 6-1<? 7-1<? 8-1(?9-1(?

Ие

Рис. 7. Экспериментальные данные эффективности отделения твердых частиц в самовращающемся воздухоочистителе

7

Произведено сравнение экспериментальных данных с расчетными результатами (рис. 8). Вычислительный эксперимент состоял из двух этапов. На первом этапе исследовалось движение твердых частиц в воздухозаборнике без учета наличия ступени самовращающегося воздухоочистителя. Расчет коэффициента очистки воздухозаборника ц ы выполнялся с допущением о том, что если частица достигает ограничивающей поверхности в месте расположения отсасывающего устройства, она сепарируется. На втором этапе рассчитывался коэффициент очистки решетки воздухоочистителя г/ .

Выявлено, что результаты исследования движения воздуха с твердыми частицами в воздухозаборнике, полученные на основе метода потенциальной теории и определенные экспериментально, удовлетворительно согласуются друг с другом (рис. 8, а). Полученные экспериментальные и расчетные результаты эффективности отделения твердых частиц в решетке воздухоочистителя (рис. 8, б) показывают, что для более точного расчета, по-видимому, необходимо учитывать влияние на траектории частиц направляющего аппарата, а также отсос воздуха и частиц через коллектор отсоса.

---------г-.....—г~ — \ 1

Л

\\

А

4 \ . 0

N Ч

0

-

4К5 8«5

а)

7 1.0 а? й8 а? 0,6 05 0,4

Г

„ о 4 "ч

4

/ /

/

№

1'¿2-1(3 3-54ЮУЮ &иЗ б)

8-10'

'9К5

Рис. 8. Сравнение зависимостей расчетного коэффициента очистки от

числа Яе с данными физического эксперимента (й = 500-Ю"6м):

-в-- результаты расчетов; - - - - экспериментальные данные;

а - коэффициент очистки воздухозаборника; б - коэффициент очистки решетки воздухоочистителя.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Создана методика расчета движения двухфазного потока "воздух -мелкодисперсные твердые частицы" с малой концентрацией частиц в дозвуковом осесимметричном воздухозаборнике при произвольных кинематических параметрах внешнего потока с учетом отражения частиц от ограничивающих поверхностей, воздействия сил Магнуса и тяжести, на основе которой

- проведены расчетные исследования воздухозаборников, и получены данные, характеризующие влияние геометрии и режимных параметров на траектории движения, концентрацию и отставание частиц, а также количественные зависимости, устанавливающие связь коэффициентов захвата и скольжения частиц от режима работы воздухозаборника и параметров частиц;

- исследована возможность защиты ГТД от твердых частиц, при работе в запыленной атмосфере, с помощью роторных воздухоочистителей.

2. В исследованном диапазоне параметров (£),• =0,25...2,00 м; С, =

40...120 м/с; ¿=(10...1000)-10"6м; рр=2600 кг/м3) установлено, что

- для каждого воздухозаборника существуют режимы работы, на которых количество частиц, попадающих в канал, является минимальным;

- при числах Стокса Б1к> 10000 захват частиц в воздухозаборнике происходит в зоне автомодельности по числу Б1к;

- при числах Ие =( 1,34... 16,11)-10е число Фруда Иг оказывает существенное влияние на траектории частиц лишь в окрестности

воздухозаборника до сечения входа, при / С, )«0, однако коэффициент захвата частиц при этом не изменяется;

- различия отражающих свойств поверхности обечайки и центрального тела воздухозаборника, изготовленных из разных материалов, могут приводить к смещению зон взаимодействия рикошетирующих частиц с ограничивающими поверхностями на расстояния до (0,20...0,25)1), в осевом направлении;

- в ряде случаев сила Магнуса может вносить существенное влияние на траектории частиц.

3. Предложена модель расчета динамики твердых частиц в роторном воздухоочистителе на основе предварительного расчетного определения граничных условий на входе в решетку и с учетом пространственных рикошетов частиц в зависимости от материала лопаток.

4. Произведена оценка возможности адаптации существующих самовращающихся воздухоочистителей, предназначенных для очистки воздуха от капельной влаги, к очистке воздуха от мелкодисперсных твердых частиц. Выявлено, что роторные воздухоочистители с решеткой, составленной из Б-образных профилей, предназначенные для очистки воздуха от капельной влаги, могут быть в некоторой степени (коэффициент очистки т)=0,4...0,6) приспособлены и для очистки воздуха от мелкодисперсных твердых частиц крупных фракций (300...1000 мкм). Основные пути повышения эффективности очистки твердых частиц: создание окружного наклона лопаток в сторону* обратную вращению; уменьшение относительной длины лопаток (увеличение втулочного отношения); конструктивное исполнение лопаток с наклоном вниз по потоку (увеличение стреловидности); изготовление лопаток из материалов на основе алюминиевых и титановых сплавов, использование покрытий из эластомеров. При прочих равных условиях воздухоочистители меньшей размерности обеспечивают более эффективное отделение твердых частиц.

5. Исследовано воздухоочистительное устройство, специально предназначенное для очистки воздуха от твердых частиц. Выявлена практическая возможность использования воздухоочистителя, состоящего из направляющего аппарата, самовращающегося рабочего колеса с решеткой, составленной из специальных Б-образных профилей, и спрямляющего аппарата, расположенного в воздухозаборнике со специально спрофилированным и препарированным каналом, для защиты ГТД от попадания пылевых частиц. В частности, в воздухоочистителе малоразмерного ГТД с диаметром входа йвх = 0,296 м при расходах воздуха в диапазоне 1...3 кг/с экспериментально и теоретически получены коэффициенты очистки пыли т) = 0,78...0,80 для частиц с размером с1 = 500 10-6 м, при коэффициентах сохранения полного давления в воздухозаборном устройстве с самовращающимся воздухоочистителем а = 0,97...0,98 на расчетных режимах.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1.Еникеев Г.Г., Гузаиров А.Р. Эффективность отделения твердых частиц пыли в самовращающемся воздухоочистителе малоразмерного ГТД / / Тез. докл. межд. науч.-техн. конф. "Экраноплан-96". - Казань, 1996. -С.80-81.

2. Гузаиров А.Р., Еникеев Г.Г. Динамика твердых частиц пыли в ступени роторного воздухоочистителя / / Тез. докл. межд. науч.-техн. конф. "Проблемы и перспективы развития двигателестроения в Поволжском регионе". - Самара, 1997. - С.48-49.

3. Еникеев Г.Г., Гузаиров А.Р. Эффективность отделения жидких и твердых частиц во вращающихся воздухоочистителях воздушно-реактивных двигателей / / Прогресс, качество, технология: Материалы третьего конгресса двигателестроителей Украины с иностранным участием. - Киев - Харьков - Рыбачье, 1998. - С.491-495.

4. Guzairov A.R., Guzairov R.M., Yenikeev G.G. Dynamic behavior of solid particles suspended by air flow in axisymmetric inlets// Symposium on actual problems of aircraft engines construction. - Ufa, Russia, April 12-13, 1999. - p.74-79.

5. Гузаиров A.P., Гузаиров P.M., Еникеев Г.Г. Движение мелкодисперсных твердых частиц в осесимметричных воздухозаборниках ГТД / / Вестник СГАУ. Серия: Проблемы и перспективы развития двигателестроения. Вып. 3. Ч. 2. - Самара, 1999. - С.249-253.

6. Еникеев Г.Г., Гузаиров А.Р., Гузаиров P.M. Расчетно-эксперименталь-ное исследование отделения твердых частиц в самовращающейся лопа-точной ступени / / Вопросы теории и расчета рабочих процессов тепловых двигателей: Межвуз. науч. сб. Вып. 18. - Уфа: УГАТУ, 2000. - С.90-96.

Основные условные обозначения . . . . . .5 Введение

1. Система "осесимметричный дозвуковой воздухозаборник -роторный воздухоочиститель"

1.1. Особенности работы ГТД в условиях загрязненной мелкодисперсными твердыми частицами атмосферы

1.2. Воздухозаборные устройства ГТД с самовращающимся воздухоочистителем

1.3. Методы расчета обтекания воздухозаборников и роторных воздухоочистителей пылевоздушным потоком

1.4. Цель и задачи работы

2. Математическое моделирование движения воздуха с твердыми частицами в дозвуковом осесимметричном воздухозаборнике с роторным воздухоочистителем

2.1. Уравнения движения двухфазной среды

2.1.1. Основные допущения

2.1.2. Конкретизация уравнений движения

2.2. Методика расчета движения двухфазного потока в осесимметричном дозвуковом воздухозаборнике

2.2.1. Расчет обтекания воздухозаборника несущим воздушным потоком

2.2.2. Расчет траекторий движения, концентрации и дисперсного состава твердых частиц в воздухозаборнике

2.3. Модель расчета динамики твердых частиц в роторном воздухоочистителе

2.3.1. Исходные данные

2.3.2. Расчет поля скоростей несущего потока в решетке воздухоочистителя

2.3.3. Расчет траекторий частиц в межлопаточном канале ступени воздухоочистителя

2.3.4. Расчет эффективности отделения твердых частиц в воздухоочистителе

Эксплуатация в условиях запыленной атмосферы вызывает ускоренный износ деталей, ухудшение аэродинамических характеристик элементов проточной части, снижает надежность, экономичность и ресурс ГТД.

Стабилизация эксплутационных характеристик ГТД в таких условиях возможна за счет рационального проектирования геометрии элементов проточной части, применения материалов и покрытий, стойких к абразивному и эрозионному износу, а также установки на входе в ГТД воздухоочистителей, в частности баллистических и роторных.

В настоящее время в нашей стране и за рубежом созданы и успешно эксплуатируются, преимущественно на вертолетах, баллистические воздухоочистители, способные очищать воздух как от капельной влаги, так и от твердых частиц. В нашей стране разработаны и прошли испытания роторные воздухоочистители, предназначенные для очистки воздуха от капельной влаги. Роторные воздухоочистители представляют собой лопаточную машину (приводную или самовращающуюся) осевого типа, устанавливаемую либо на входе, либо внутри канала воздухозаборника. Для ТРД, ТРДД, ТВлД, а также ТВД с выносным или несоосным редуктором винта предпочтительно применение самовращающегося воздухоочистителя, установленного в воздухозаборном устройстве, имеющем осесимметричную, либо близкую к осесимметричной, форму.

Преимуществом роторных воздухоочистителей перед баллистическими является то, что им присущи относительно меньшие осевые габариты, более медленное снижение эффективности очистки воздуха с увеличением масштаба устройства [55], а также более полное использование скоростного напора набегающего потока. Однако система "воздухозаборник - роторный воздухоочиститель" недостаточно исследована применительно к защите ГТД летательных аппаратов (ЛА) от мелкодисперсных твердых частиц, поэтому работа, направленная на исследование рабочего процесса, совершенствование их схем и имеющая целью выявление возможности и путей создания работоспособных роторных воздухоочистителей, является актуальной. Актуальным является также получение ответа на вопрос о возможности адаптации уже имеющихся роторных воздухоочистителей, предназначенных для очистки воздуха от капельной влаги, к работе в условиях запыленной атмосферы, поскольку для амфибийных транспортных средств такие режимы являются характерными. Кроме того, с позиций прогнозирования эрозионного воздействия твердых частиц на ГТД, а также осуществления мероприятий по его защите актуальным является получение количественных зависимостей, описывающих параметры дисперсной фазы в канале воздухозаборника.

Таким образом, актуальность темы диссертации обусловлена необходимостью: 1) определения параметров двухфазного потока перед ГТД для обеспечения возможности рационального проектирования первых ступеней компрессора с учетом эрозионного воздействия мелкодисперсных твердых частиц; 2) обеспечения работоспособности ГТД амфибийных аппаратов (экранопланов, судов на воздушной подушке) при выходе на берег; 3) защиты ГТД летательных аппаратов грунтового базирования и ГТД наземных транспортных средств.

Данная работа является логическим продолжением исследований по разработке роторных воздухоочистителей ГТД, проводившихся в Уфимском авиационном институте - Уфимском государственном авиационном техническом университете (УАИ - УГАТУ) в течение ряда лет.

Целью работы является создание методики расчета и исследование закономерностей движения двухфазного потока "воздух - твердые частицы" в осесимметричном дозвуковом воздухозаборнике, а также оценка возможности защиты ГТД, при работе в запыленной атмосфере, с помощью роторных воздухоочистителей.

Для достижения указанной цели сформулированы следующие задачи работы.

1. Разработка методики расчета движения двухфазного потока "воздух - твердые частицы" в осесимметричном дозвуковом воздухозаборнике.

2. Расчетно-теоретическое исследование обтекания осесимметрич-ных дозвуковых воздухозаборников двухфазным потоком с малой концентрацией твердых частиц.

3. Разработка модели расчета динамики твердых частиц в роторном воздухоочистителе.

4. Исследование эффективности отделения твердых частиц в роторных воздухоочистителях, предназначенных для очистки воздуха от жидких аэрозолей.

5. Анализ системы "воздухозаборное устройство - самовращающийся воздухоочиститель" с позиции создания пылезащитных устройств.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем.

1. Разработаны математическая модель и алгоритм расчета пространственного движения мелкодисперсных твердых частиц, взвешенных в воздушном потоке, в осесимметричных дозвуковых воздухозаборниках с учетом внешнего обтекания и характера взаимодействия с ограничивающей поверхностью, основанные на определении поля течения воздушного потока методом наложения потенциальных потоков и расчете движения в этом поле частиц под воздействием инерционных сил, силы аэродинамического сопротивления, силы Магнуса и силы тяжести.

2. Для воздухозаборника серии В-50 в исследованном диапазоне параметров {Di =0,25.2,00 м; Сг = 40.120 м/с) получена зависимость коэффициента захвата частиц (¿=(10. 1000)-Ю-6м; р/,=2600 кг/м3) от отношения скоростей (vx /С¡) в диапазоне 0.1Д в виде полинома пятой степени с погрешностью 0,12.

3. Показана принципиальная возможность очистки воздуха, поступающего в ГТД, от мелкодисперсных твердых частиц с помощью роторных воздухоочистителей, предназначенных для очистки воздуха от капельной влаги.

4. Обоснована и показана возможность достижения в воздухоза-борном устройстве с самовращающимся воздухоочистителем (£)вх=0,296 м, С=1. .3 кг/с, сг=0,97.0,98) коэффициента очистки воздуха г|=0,78.0,80 от кварцевых частиц {(1 = 500-Ю"6 м).

Практическая ценность работы состоит в следующем.

1. Разработанная методика расчета движения мелкодисперсных твердых частиц в осесимметричных воздухозаборниках и полученные количественные зависимости могут быть использованы при разработке роторных и баллистических пылезащитных устройств, а также для определения граничных условий на входе в ГТД при разработке мероприятий по его защите от эрозии и при проектировании систем противообледе-нения.

2. Предложенная модель расчета и результаты исследований динамики твердых частиц в решетках самовращающихся воздухоочистителей рекомендуются к использованию при разработке универсальных (предназначенных для очистки воздуха как от жидких, так и от твердых частиц), а также специально предназначенных для очистки воздуха от мелкодисперсных твердых частиц, воздухоочистителей.

Достоверность полученных результатов работы основана на использовании при создании методик расчета уравнений механики многофазных сред, известных и апробированных вычислительных методов, обоснованностью принятых допущений, сравнении и удовлетворительном совпадении результатов, полученных с использованием разработанных расчетных моделей, с результатами, полученными другими авторами (Г. С. Самойлович, У. Табаков, А. Хамед, В. Краус), и экспериментальными данными.

На защиту выносятся:

1) методика расчета пространственного движения мелкодисперсных твердых частиц, взвешенных в воздушном потоке, вблизи и внутри осесимметричных дозвуковых воздухозаборников с учетом внешнего обтекания и характера взаимодействия с поверхностью;

2) результаты расчетно-теоретического исследования движения твердых частиц в осесимметричных дозвуковых воздухозаборниках;

3) модель расчета динамики твердых частиц в роторном воздухоочистителе;

4) результаты параметрического исследования эффективности отделения твердых частиц в воздухоочистителе для жидких аэрозолей;

5) результаты расчетно-экспериментального исследования очистки воздуха от пыли в самовращающемся воздухоочистителе малоразмерного ГТД.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях: "Экраноплан-96" (г. Казань, 1996 г.); "Проблемы и перспективы развития двигателестроения в Поволжском регионе" (г. Самара, 1997 г.); "Проблемы и перспективы развития двигателестроения в Поволжском регионе. Проблемы конструкционной прочности двигателей" (г. Самара, 1999 г.), на международном симпозиуме по проблемам конструкции авиационных двигателей (г. Уфа, 1999 г.).

Работа выполнена на кафедре прикладной гидромеханики и в научно-исследовательской лаборатории СХ ГТД в Уфимском государственном авиационном техническом университете (УГАТУ).

Автор благодарен руководителю НИЛ СХ ГТД УГАТУ, научному руководителю, канд. техн. наук Г. Г. Еникееву за помощь при написании диссертации и сделанные при этом полезные замечания.

Автор также выражает признательность канд. техн. наук Р. М. Гузаирову за ценные замечания, учтенные в работе над диссертацией, и помощь, оказанную при написании и отладке программ расчета, канд. техн. наук Г. 3. Шарипову за обсуждение ряда вопросов, отраженных в работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Создана методика расчета движения двухфазного потока "воздух - мелкодисперсные твердые частицы" с малой концентрацией частиц в дозвуковом осесимметричном воздухозаборнике при произвольных кинематических параметрах внешнего потока с учетом отражения частиц от ограничивающих поверхностей, воздействия сил Магнуса и тяжести, на основе которой

- проведены расчетные исследования воздухозаборников, и получены данные, характеризующие влияние геометрии и режимных параметров на траектории движения, концентрацию и отставание частиц, а также количественные зависимости, устанавливающие связь коэффициентов захвата и скольжения частиц от режима работы воздухозаборника и параметров частиц;

- исследована возможность защиты ГТД от твердых частиц, при работе в запыленной атмосфере, с помощью роторных воздухоочистителей.

2. В исследованном диапазоне параметров =0,25.2,00 м; Сг = 40.120 м/с; £/=(10.1000)-10~6м; рр=2600 кг/м3) установлено, что

- для каждого воздухозаборника существуют режимы работы, на которых количество частиц, попадающих в канал, является минимальным;

- при числах Стокса Б1к> 10000 захват частиц в воздухозаборнике происходит в зоне автомодельности по числу 81к;

- при числах Яе=(1,34.16,11)-106 число Фруда Ег оказывает существенное влияние на траектории частиц лишь в окрестности воздухозаборника до сечения входа, при (Ко/С-/)«0, однако коэффициент захвата частиц при этом не изменяется;

- различия отражающих свойств поверхности обечайки и центрального тела воздухозаборника, изготовленных из разных материалов, могут приводить к смещению зон взаимодействия рикошетирующих частиц с ограничивающими поверхностями на расстояния до (0,20. Д25Ш,- в осевом направлении;

- в ряде случаев сила Магнуса может вносить существенное влияние на траектории частиц.

3. Предложена модель расчета динамики твердых частиц в роторном воздухоочистителе на основе предварительного расчетного определения граничных условий на входе в решетку и с учетом пространственных рикошетов частиц в зависимости от материала лопаток.

4. Произведена оценка возможности адаптации существующих самовращающихся воздухоочистителей, предназначенных для очистки воздуха от капельной влаги, к очистке воздуха от мелкодисперсных твердых частиц. Выявлено, что роторные воздухоочистители с решеткой, составленной из Э-образных профилей, предназначенные для очистки воздуха от капельной влаги, могут быть в некоторой степени (коэффициент очистки г|=0,4.0,6) приспособлены и для очистки воздуха от мелкодисперсных твердых частиц крупных фракций (300. 1000 мкм).

Основные пути повышения эффективности очистки твердых частиц: создание окружного наклона лопаток в сторону, обратную вращению; уменьшение относительной длины лопаток (увеличение втулочного отношения); конструктивное исполнение лопаток с наклоном вниз по потоку (увеличение стреловидности); изготовление лопаток из материалов на основе алюминиевых и титановых сплавов, использование покрытий из эластомеров. При прочих равных условиях воздухоочистители меньшей размерности обеспечивают более эффективное отделение твердых частиц.

156

5. Исследовано воздухоочистительное устройство, специально предназначенное для очистки воздуха от твердых частиц. Выявлена практическая возможность использования воздухоочистителя, состоящего из направляющего аппарата, самовращающегося рабочего колеса с решеткой, составленной из специальных Б-образных профилей, и спрямляющего аппарата, расположенного в воздухозаборнике со специально спрофилированным и препарированным каналом, для защиты ГТД от попадания пылевых частиц. В частности, в воздухоочистителе малоразмерного ГТД с диаметром входа йвх = 0,296 м при расходах воздуха в диапазоне 1.3 кг/с экспериментально и теоретически получены коэффициенты очистки пыли г| = 0,78.0,80 для частиц с размером й = 500-Ю"6 м, при коэффициентах сохранения полного давления в воздухозаборном устройстве с самовращающимся воздухоочистителем с = 0,97.0,98 на расчетных режимах.

4.3 Заключение

В результате выполненных расчетов было установлено, что в осевой самовращающейся ступени, составленной из Б-образных профилей, характер движения твердых частиц сильно отличается от картины движения жидких частиц по следующим причинам:

- механизм взаимодействия с поверхностью различен для твердых и жидких частиц: жидкие частицы после соударения обычно продолжают свое движение по поверхности лопатки к периферии под действием центробежных и кориолисовых сил, а твердые частицы рикошетируют от поверхности в точке контакта с изменением величины и направления вектора скорости;

- в отличие от жидких частиц, твердые частицы интенсивно взаимодействуют и с вогнутой поверхностью турбинного участка Э-образного профиля лопатки.

Траектории частиц малых размеров зависят от геометрии межлопаточного канала и поля течения несущего потока. Движение крупных частиц обусловлено слабым влиянием течения несущего потока и существенным влиянием соударений частицы с вогнутыми поверхностями компрессорного и турбинного участков лопаток.

Установлено, что в исследованном диапазоне параметров (Сг =

55,5.124,6 м/с; (и/С)ср=0,45; у=0,6.0,9) расчетная эффективность отделения твердых частиц ¿/=(300. 1000)-1(Г6м в натурном воздухоочистителе для жидких аэрозолей изменяется в диапазоне 0,4.0,6. С ростом отношения (и/С)ср до значения (и/С)ср=0,8 эффективность отделения частиц увеличивается до 0,7.0,8 практически линейно. Уменьшение размерности в 4,4 раза приводит к росту эффективности отделения частиц приблизительно на 0,15. Увеличению эффективности отделения твердых частиц в воздухоочистителе способствуют, также, тангенциальный наклон лопаток в сторону, обратную вращению частиц, увеличение относительной ширины и стреловидности лопаток, а также использование лопаток из материалов с отражающей способностью, улучшающей движение частиц в радиальном направлении.

Результаты физического эксперимента показали, что в самовращающемся воздухоочистителе, состоящим из направляющего аппарата и рабочего колеса со специально спрофилированными Б-образными лопатками, в системе воздухозаборника малоразмерного двигателя на расчетных режимах эффективность очистки монодисперсной пыли при концентрации (0,01.0,08)% составляет 0,78.0,80 для й?=500-1(Г6м и равна нулю для £/=5-10~6м, коэффициент сохранения полного давления изменяется в диапазоне 0,97.0,98.

Сопоставление полученных экспериментальных данных с расчетными результатами эффективности отделения твердых частиц в решетке воздухоочистителя показывает, что основными ограничениями в достижении качественного и количественного соответствия результатов является отсутствие учетов отсоса воздуха и влияния, оказываемого направляющим аппаратом на перераспределение частиц.

Выявлено, что результаты исследования движения воздуха с твердыми частицами в дозвуковом осесимметричном воздухозаборнике, полученные на основе метода потенциальной теории и определенные экспериментально, количественно и качественно согласуются друг с другом в случае частиц крупной фракции (¿¿=500-10-6 м).

Тем не менее для обеспечения лучшей достоверности и надежности получаемых результатов, особенно в отношении мелких частиц, расчеты движения твердых частиц следует производить на основе разработанной методики с учетом доработок, позволяющих рассчитывать каналы воздухозаборников, которые имеют щели для отсоса или вдува воздуха.

1. Акимов В.М. Основы надежности газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1981. - 207 с.

2. Аэродинамика диффузоров и выхлопных патрубков турбомашин/ А.Ш. Дорфман, М.И. Назарчук, Н.М. Польский, М.И. Сайковский; Под ред. И.Т. Швеца. Киев: Изд. АН УССР, I960. - 188 с.

3. Белоцерковский О.М., Давыдов Ю.М. Метод крупных частиц в газовой динамике. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1982. - 392 с.

4. Бичер Б., Табаков У., Хамед А. Усовершенствованный метод расчета траекторий частиц угольной золы в турбомашине / / Тр. амер. об-ва инженеров-механиков. Сер. А, Энергетические машины и установки. -1982. №1. - С.43-47.

5. Воздухоприемные и газовыпускные устройства быстроходных газотурбинных судов/ Захаров A.M., Булыгин П.А., Райкин Л.И., Петров А. П., Позолотин А.К. Л.: Судостроение, 1977,-208 с.

6. Волков Е.А. Численные методы: Учебное пособие. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1982. - 256 с.

7. Волкова Л.Ф., Ляшенко А.И., Надирли Р.К. О влиянии аэродромныхпылей на износ ГТД / / Прочность, динамика, надежность и колебания реактивных двигателей: Тем. сб. науч. тр./ МАИ. М., 1985. - С.51-57.

8. Володко A.M. Эксплуатация самолетов и вертолетов в усложненных природных условиях. М.: Транспорт, 1981. - 158 с.

9. Гагай B.C., Королев А.Н. Опыт внедрения конвертируемых авиационных ГТД для экранопланов / / Изв. вузов. Авиационная техника. -1998. №2. - С.85-90.

10. Гинзбург JI.E., Никитин Е.И. Исследование запыленности воздуха вблизи вертолетов Ми-1 и Ми-4 в эксплуатационных условиях / / Сб. "Вертолетные газотурбинные двигатели». М.: Машиностроение, 1966. - С.145-162.

11. Горбис З.Р. Теплообмен и гидромеханика дисперсных сквозных потоков. М.: Энергия, 1970. - 424 с.

12. Гостелоу Дж. Аэродинамика решеток турбомашин: пер. с англ. М.: Мир, 1987. - 392 с.

13. Гриценко Е.А., Данильченко В.П. Двигатели семейства "НК" для экранопланов / / Изв. вузов. Авиационная техника. 1998. - №2. - С.34-39.

14. Данн М. и др. Ухудшение характеристик турбовентиляторного и турбореактивного двигателей при работе в запыленной атмосфере / / Тр. амер. об-ва инженеров-механиков. Сер. А, Энергетические машины и установки. 1988. - №2. - С.80-89.

15. Двухфазные моно- и полидисперсные течения газа с частицами / Л.Е.Стернин, Б.Н.Маслов, А.А.Шрайбер, А.М.Подвысоцкий; Под ред. Л.Е.Стернина. М.: Машиностроение, 1980. - 172 с.

16. Дорфман А.А. Численные методы в газодинамике турбомашин. Л.:1. Энергия, 1974. 270 с.

17. Дьяков Р. А. Воздухоочистка в дизелях. Л.: Машиностроение, 1975. - 152 с.

18. Еникеев Г.Г., Гузаиров А.Р. Особенности взаимодействия гетерогенных сред с лопаточными венцами осевых турбомашин ВРД/ /Межвузовский научный сборник "Актуальные проблемы авиадвигателе-строения". Уфа, 1998. - С.36-51.

19. Жуковский М.И. Аэродинамический расчет потока в осевых турбо-машинах. Л.: Машиностроение, 1967. - 286 с.

20. Защита ГТД от морских аэрозолей с помощью роторных воздухоочистителей / Еникеев Г.Г., Гузаиров P.M., Химич В.Л., Шарипов Г.З. //Сборник трудов УАИ. Ч. 1. Уфа: УАИ, 1992. - С.132-151.

21. Зрелов В.А., Маслов В.Г. Основные данные отечественных авиационных ГТД и их применение при учебном проектировании: Учеб. пособие. Самара: СГАУ, 1999. 160 с.

22. Изменение геометрических параметров профилей лопаток осевых компрессоров турбовальных ГТД в процессе эксплуатации /Ходеев Ф.П., Щеголев Г.П., Бут E.H., Паминко В.Г.// Авиац. пром-ть. -1995. №3-4. - С.38-41

23. Колызаев Б.А., Косоруков А.И., Литвиненко В.А. Справочник по проектированию судов с динамическими принципами поддержания. -Л.: Судостроение, 1980. 472 с.

24. Костогрыз В.Г., Кузнецов В.И. Турбовинтовой двигатель для сельскохозяйственного самолета / Оме. техн. ун-т. Омск, 1996. 15 с. Деп. в ВИНИТИ 23.05.96, № 1667-В96.

25. Красовский Г.И., Филаретов Г.Ф. Планирование эксперимента. Мн.: Изд-во БГУ, 1982. - 302 с.

26. Краус В. Панельные методы в аэродинамике. В кн.: Численные методы в динамике жидкостей. - М., 1981. - С.243-305.

27. Кривенко Ю.Н. Взаимодействие и взвешивание крупных частиц в высококонцентрированном потоке. Киев: Гидромеханика, 1970, вып. 16. - С.57-66.

28. Крылов К.А., Хаймзон М.Е. Долговечность узлов трения самолетов. -М.: Транспорт, 1976. 184 с.

29. Кюхеман Д., Вебер И. Аэродинамика авиационных двигателей. М.: И.Л., 1956. - 388 с.

30. К построению решетки профилей самовращающегося воздухоочистителя / Гузаиров P.M., Еникеев Г.Г., Шарипов Г.З., Химич В.Л. // Вопросы теории и расчета рабочих процессов тепловых двигателей. Вып. №10: Межвуз. науч. сб./УАИ. Уфа, 1986. - С.136-146. - ДСП.

31. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1987.-840 с.

32. Львовский E.H. Статистические методы построения эмпирических формул: Учеб. пособие для втузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1988. - 239 с.

33. Михаелидис Е. Движение частиц в газовом потоке. Средняя скорость и потери давления / / Тр. амер. об-ва инженеров-механиков. Сер. D, Теоретические основы инженерных расчетов. 1988. - №1. - С.276-288.

34. Михайлов Е.И., Резник В.А., Кринский A.A. Комплексные воздухоочистительные устройства для энергетических установок. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1978. - 144 с.

35. Надежность, обслуживаемость и готовность к эксплуатации вертолета

36. SIKORSKY UH-60A BLACK HAWK. Авиастроение. M.: ВИНИТИ, -1983. - С. 16-22.

37. Нигматулин Р.И. Основы механики гетерогенных сред. М.: Наука, 1978. - 336 с.

38. Олесевич К. В. Износ элементов газовых турбин при работе на твердом топливе. М.: Машгиз, 1959. - 148 с.

39. Оран Э., Борис Дж. Численное моделирование реагирующих потоков: Пер. с англ. М.: Мир, 1990. - 660 с.

40. Очистка промышленных газов от пыли /Ужов В.Н., Вальдберг А.Ю., Мягков Б.И., Решидов И.К. М.: Химия, 1981. - 392 с.

41. Перельман Р.Г. Эрозионная прочность деталей двигателей и энергоустановок летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1980. - 245 с.

42. Пикула Э.Р. Эрозионный износ проточной части компрессоров авиационных ГТД // Поблемы безопасности полетов/ ВИНИТИ. 1990. -№6. - С.46-50.

43. Поликовский В.И. Самолетные силовые установки. М.: Оборонгиз, 1952. - 600 с.

44. Пылезащитные устройства газотурбинных двигателей вертолетов / Курицын В.Ф., Леонов Г.Н., Ситницкий Ю.Я., Иванов Н.П./ / Труды ЦАГИ. 1975. - №1713. - 33 с. - ДСП.

45. Рудингер Г. Двухфазное течение в соплах при большой весовой доле частиц//Ракетная техника и космонавтика. 1970.-№7.- С. 128-136.

46. Самойлович Г.С., Нитусов В.В. Сборник задач по гидроаэромеханике. -М.: Машиностроение, 1986. 152 с.

47. Смелтзер К., Гулден М., Комптон В. Механизмы эрозии металлов приударном воздействии частиц пыли / / Тр. амер. об-ва инженеров-механиков. Сер. D, Теоретические основы инженерных расчетов. 1970. №3. - С.225-238.

48. Соколовский Г.А., Гнесин В.И. Нестационарные трансзвуковые и вязкие течения в турбомашинах Киев: Наук, думка, 1986. - 264 с.

49. Coy С. Гидродинамика многофазных систем: Пер. с англ. М.: Мир,1971. 536 с.

50. Степанов Г.Ю., Зицер И.М. Инерционные воздухоочистители. М.: Машиностроение, 1986. - 184 с.

51. Табаков У. Ухудшение характеристик турбомашин под влиянием рабочей среды, содержащей твердые частицы. Обзор / / Тр. амер. об-ва инженеров-механиков. Сер. D, Теоретические основы инженерных расчетов. 1984. - №2. - С.115-125.

52. Табаков У. Эрозия компрессора и ухудшение характеристик турбомашин / / Тр. амер. об-ва инженеров-механиков. Сер. D, Теоретические основы инженерных расчетов. 1988. - №2. - С.298-311.

53. Табаков У., Мейлак М., Хамед А. Измерение лазером характеристик отскакивания твердых частиц при соударении их с поверхностью из алюминиевого (2024) и титанового (6A-4V) сплавов / / Аэро/космическая техника. 1987. - №12. - С.58-64.

54. Табаков У., Хамед А. Влияние температуры на динамику движения и эрозионное воздействие частиц в радиальных центростремительных турбинах / / Тр. амер. об-ва инженеров-механиков. Сер. А, Современное машиностроение. 1989. - №4. - С.146-153.

55. Табаков У., Хосни У., Хамед А. Влияние твердых частиц на характеристики турбины / / Тр. амер. об-ва инженеров-механиков. Сер. А,

56. Энергетические машины и установки. 1976. - №1. - С.51-57.

57. Табаков У., Хуссейн М. Влияние взвешенных твердых частиц на обтекание решетки профилей / / Ракетная техника и космонавтика. -1971. №8. - С.95-101.

58. Термогазодинамические расчеты авиационных ГТД: Учеб. пособие/ А. М. Ахмедзянов, В. П. Алаторцев, X. С. Гумеров, Ф. Ф. Тарасов. -Уфа: УАИ, 1990. 340 с.

59. Технический отчет о НИР "Исследование условий работы и путей повышения эффективности ПЗУ вертолетных ГТД". Шифр "Поток". Рига: РВВАИУ им. Я.Алксниса, 1986. 273 с. - ДСП.

60. Технический отчет о НИР "Исследование условий работы изд.78, эрозии проточной части и изменения его характеристик при эксплуатации в запыленном воздухе". Шифр "Самум". Рига: РВВАИУ им. Я.Алксниса, 1987. 199 с. - ДСП.

61. Транспортные машины с газотурбинными двигателями/ Н.С.Попов, С.П.Изотов, В.В.Антонов и др. Под общ. ред. Н.С.Попова, С.П. Изотова. JL: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1980. - 221 с.

62. Ушаков С.Г., Зверев Н.И. Инерционная сепарация пыли. М.: Энергия, 1974. - 164 с.

63. Фабрикант Н.Д. Аэродинамика. 4.1. М.: Техтеоретиздат, 1949. - 624с.

64. Филиппов Г.А., Поваров O.A. Сепарация влаги в турбинах АЭС. М.: Энергия, 1980. - 320 с.

65. Форсайт М., Малькольм М., Моулер К. Машинные методы математических вычислений. М.: Мир, 1980. - 280 с.

66. Фукс H.A. Механика аэрозолей. М.: Изд-во АН СССР, 1955. - 351 с.

67. Фукс H.A. Успехи механики аэрозолей. М.: Изд-во АН СССР, 1961. -159 с.

68. Хамед А. Влияние характеристик частиц на их траектории и соударение с лопаткой / / Тр. амер. об-ва инженеров-механиков. Сер. D, Теоретические основы инженерных расчетов. 1988. - №4. - С.233-240.

69. Хамед А. Динамика движения твердых частиц в венцах закрученных лопаток / / Тр. амер. об-ва инженеров-механиков. Сер. D, Теоретические основы инженерных расчетов. 1984. - №3. - С.86-92.

70. Холщевников К.В. Теория и расчет авиационных лопаточных машин. -М.: Машиностроение, 1970. 610 с.

71. Холщевников К.В., Емин О.Н., Митрохин В.Т. Теория и расчет авиационных лопаточных машин. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1986. - 432 с.

72. Шальман Ю.И. Износ и изменение параметров осевой и центробежной ступеней компрессора на запыленном воздухе / /Сб. "Вертолетные газотурбинные двигатели". М.: Машиностроение, 1966. - С. 163-199.

73. Шарипов Г.З. Оптимизационные задачи при выборе параметров роторных воздухоочистителей ГТД//Тезисы юбилейной научно-технической конференции "Актуальные проблемы авиастроения". Уфа: УАИ. -1992.-С.11.

74. Шелдон Г., Маджи Дж., Кроу К. Эрозия трубы в газовом потоке, содержащем частицы //Тр. амер. об-ва инженеров-механиков. Сер. D, Теоретические основы инженерных расчетов. 1977. - №2. - С.43-47.

75. Шрайбер A.A., Милютин В.Н., Яценко В.П. Гидромеханика двухкомпонентных потоков с твердым полидисперсным веществом. Киев: Наук, думка, 1980. - 252 с.

76. Элберс Дж., Стокмэн Н. Метод расчета потенциальных и вязких течений в воздухозаборниках двигателей//Тр. амер. об-ва инженеров-механиков. Сер. А, Энергетические машины и установки. 1975. -№1. - С.1-12.

77. Элфеки С., Табаков У. Исследование эрозии центробежного компрессора с разделителями потока //Тр. амер. об-ва инженеров-механиков. Сер. А, Энергетические машины и установки. 1988. - №1.- С.107-113.

78. Эрозия: Пер. с англ./Под ред. К. Прис. М.: Мир, 1982. - 464 е.

79. Янг Дж., Яо К. Инерционное осаждение капель тумана на лопатки паровой турбины //Тр. амер. об-ва инженеров-механиков. Сер. А, Современное машиностроение. 1989. - №4. - С.74-82.

80. Breitman D.S., Dueck E.G., Habashi W.G. Analysis of a Split-Flow Inertial Particle Separator by Finite Elements, Journal of Aircraft, Vol. 22, No. 2, 1985, pp. 135-140.

81. Gackey M.R. Dust and sand protection for marine gas turbines. Trans. ASME. J. Eng. Power, 1982, 104, №2, pp. 260-267.

82. Hamed A. Particle Dynamics of Inlet Flow Fields with Swirling Vanes, Journal of Aircraft, Vol. 19, No. 9, 1982, pp. 707-712.

83. Haynie William. Scale effects on inertial particle separator efficiency. SAE Techn. Pap. Ser., 1987, №871807, pp. 1-5.

84. Hussein M. F., Tabakoff W. Computation and Plotting of Solid Particle Flow in Rotating Cascades, Computers and Fluids, Vol. 2, 1974, pp. 1-15.

85. Hussein M. F., Tabakoff W. Dynamic Behavior of Solid Particles Suspended by Polluted Flow in a Turbine Stage, Journal of Aircraft, Vol. 10, No. 7, 1973, pp. 434-440.

86. Kim J.J. Computation particle trajectory analysis on a 3-dimentional engine inlet. AIAA Pap., 1985, №411, pp. 1-9.

87. Montgomery J.E., Fachn D.D. High Performance Air Cleaners for the

88. Armys Industrial Gas Turbines. SAE Preprint, 1964, 8-12/6, №880B, 12 p.

89. Norbert O., Stokman N. Potential and wiscous flow in VTOL, STOL or CTOL propultion system inlets. AIAA Pap. №75-1186, pp. 1-11.

90. Prokopenko A. N. Increase in strength of helicopter gas-turbine engine compressor blades under gas-abrasive wear conditions. Weld. World, 1994 №6, pp. 413-414.

91. Reyhner T.A. Transonic Potential Flow Around Axisymrnetric Inlets and Bodies at Angle of Attack, AIAA Journal, 1977, v.15, No. 9, pp. 1299-1306.

92. Reyhner T.A. Transonic Potential Flow Computation about Three-Dimensional Inlets, Ducts and Bodies, AIAA Journal, 1981, v. 19, No. 9, pp. 1112-1121.

93. Smialek James L., Archer Frances A., Garlick Ralph G. Turbine airfoil degradation in the Persian Gulf war. JOM: J.Miner, Metals and Mater. Soc., 1994. 46, №12, pp. 39-41.

94. Tabakoff W. Performance deterioration on aircraft jet engines with presence of solid particles. US Geol. Surv. Ciro, 1991, №1065, pp. 44-45.

95. Tabakoff W., Murugan D.M., Hamed A. Effect of target materials on the particle restitution characteristics for turbomachinery application. AIAA Pap., 1994, №0143, pp. 1-9.

96. Thomas P. J. Why an engine air particle separator (EAPS). ASME Pap., 1990, GT 297, pp. 1-7.

97. Thompson Joe F. Grid Generation Techniques in Computational Fluid Dynamics, AIAA Journal, 1984, v. 22, No. 11, pp.1505-1523.