автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Экспериментальное исследование межтурбинных переходных каналов с целью совершенствования формы их меридиональных обводов

На правах рукописи

Буров Максим Николаевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕЖТУРБИННЫХ ОЕРЕХОДНЫХ КАНАЛОВ С ЦЕЛЬЮ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ФОРМЫ ИХ МЕРИДИОНАЛЬНЫХ ОБВОДОВ

Специальность 05.07.05 «Тепловые двигатели летательных аппаратов»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Рыбинск — 1998

Работа выполнена в Рыбинской государственной авиационной технологической академии.

Научный руководитель: заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, докто] технических наук, профессор Богомолов E.H.

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Ремизов А.Е.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Яманин А.И.; кандидат технических наук, Миронов Ю.Р.

Ведущее предприятие: ОАО «Рыбинские моторы», г.Рыбинск

Защита состоится 23 декабря 1998г. в 12 часов на заседани] Диссертационного совета Д 064.42.01 в Рыбинской государственно] авиационной технологической академии г.Рыбинск, ул.Пушкина, 53

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГАТА. Автореферат разослан « 23 » ноября 1998г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

Конюхов Б.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. С самого начала развитие газотурбинных двигателей шло по ти повышения степени сжатия и максимальной температуры рабочего тела в кле. В последние полтора-два десятилетия эта тенденция привела к некоторым чественным изменениям в конструктивном облике газовоздушного тракта дви-геля. В частности, уменьшение высоты проточной части, как следствие высо-й плотности и энергонасыщенности рабочего тела, вынуждало разработчиков игателей максимально понижать относительные диаметральные размеры тур-компрессора каскада высокого давления с тем, чтобы предотвратить чрезмерна рост потерь по причине радиальных зазоров и вторичных течений, усили-ющих свое негативное влияние по мере уменьшения высоты проточной части, есть длины лопаток компрессора и турбины высокого давления. В то же гмя необходимость обеспечения достаточно высокой массовой и газодинамикой эффективности лопаточных машин каскада низкого давления требовала злизации относительно больших диаметральных размеров вентилятора и тур-ны низкого давления. В результате в конструкции двигателя появились гциальные элементы — газодинамические переходники (рис.1), соединяющие оточные части каскадов высокого и низкого давления как на участке сжатия Зочего тела, так и на участке его расширения.

Однако, опыт разработки двигателей вскоре показал, что наличие газоди-мических переходников, особенно межтурбинных, где скорость движения газа :таточно высока, приводит к существенному снижению эффективности двига-и вследствие больших потерь напора в этих переходниках. В процессе до-1ки двигателей с межтурбинным переходником разработчикам пришлось йти на компромисс, то есть в ущерб эффективности турбины низкого шения по возможности пренебречь необходимостью в развитом переходнике ем самым снизить связанные с ним потери полного напора.

Вместе с тем, подобное решение носит частный характер и не снимает эблемы совершенствования межтурбинных переходников, поскольку их появ-ше в конструкциях не является случайным, а отражает объективные свойства ¡ременных и перспективных газотурбинных двигателей. Об этом свидетельст-

вуют статистические данные об эволюции проточных частей двигателей фирмь

эквивалентный угол раскрытия плоского диффузора, ^ и площадь на входе : переходник и выходе из него соответственно; в скобках указан го, сертификации двигателя.

В то же время уровень изученности аэродинамических свойств подобны: устройств остался недостаточным, несмотря на значительные усилия в этом на правлении ряда научно-исследовательских и конструкторских организаци! (РГАТА, МЭИ, КАИ и др.). В частности, до последнего времени не были разра ботаны рекомендации по профилированию образующих переходников, чт очевидно затрудняет создание достаточно совершенных переходных канало проектируемых двигателей. Поэтому исследования, посвященные выявление влияния геометрии меридиональных обводов на характеристики течения межтурбинных переходниках являются актуальными.

Цель работы собтоит в следующем:

1) Провести систематическое экспериментальное исследовани диффузорных каналов с криволинейными образующими для ряд вариантов исполнения их контура.

2) Сформулировать рекомендации по практическом применению лемнискатного профилирования меридиональных обводо переходных каналов.

3) Разработать методику построения меридиональных обводо переходного канала с помощью сопряженных между собой отрезко лемнискат.

Научная новизна. Несмотря на серьезное внимание, уделяемо переходным каналам многими научно-исследовательскими и проектным: организациями в России и за рубежом, полученные в данном исследовани результаты, насколько известно, не имеют аналогов среди опубликовании данных. В первую очередь это относится к фактическим данным о влияни закономерностей изменения кривизны меридиональных обводов переходны

«General Electric», представленные

аналов на возникновение отрыва пограничного слоя. Новизна проведенных сследований заключается, как в постановке задачи, предполагающей выработку рактических рекомендаций по профилированию меридиональных обводов ереходников, так и в полученньк результатах, которые впервые позволили:

— выявить влияние изменения кривизны на характер течения в канале с положительньм продольным градиентом давления;

— установить факт безотрывного течения в криволинейном канале с плавным изменением кривизны;

— установить влияние диффузорности на уровень вторичных потерь и потерь, связанных с обтеканием меридиональных обводов в каналах при различных способах их профилирования.

Практическая значимость работы состоит в том, что на основе олученного экспериментального материала сформулированы практические гкомендации по профилированию меридиональных обводов межтурбинных ереходных каналов газотурбинных двигателей.

Апробация работы, основные положения работы докладывались на тедуюших конференциях и семинарах:

— всероссийская научно-техническая конференция «Процессы горения и охрана окружающей среды»" г.Рыбинск, 1994г;

— молодежная научно-техническая конференция «XXI Гагаринские чтения» г.Москва, 1995г.;

— IX всероссийская конференция «Теплофизика технологических процессов. г.Рыбинск, 1996г.;

— всероссийская научно-техническая конференция «Процессы горения и охрана окружающей среды»" г.Рыбинск, 1997г;

Публикации, основные материалы диссертации опубликованы в одной :атье, в одном докладе и 4 тезисах докладов всероссийских научных шференций и одном техническом отчете по теме, выполняемой на кафедре Авиационные двигатели» РГАТА

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена а 212 страницах и включает в себя 99 иллюстраций и 13 таблиц. Работа

состоит из введения, пяти глав, выводов, списка используемой литературы из 91 наименования и 3 приложений, содержащих координаты профилей меридиональных обводов исследованных каналов и результаты их исследования в виде таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Во введении обосновывается актуальность темь: диссертационной работы, формулируется задача исследования, отмечаете* научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

Глава первая включает в себя обзор научно-технической литературы п£ вопросам эволюции проточной части двигателя с точки зрения появления в не* межтурбинных переходных каналов.

Собраны и проанализированы статистические данные о геометрии межтурбинных переходников существующих и проектируемых двигателей. На рис.; приведена статистическая зависимость угла раскрытия эквивалентного плоской диффузора от степени диффузорности переходного канала. Из рисунка видно что диапазон углов раскрытия и степеней диффузорности межтурбинных пере ходников достаточно, широк — степень диффузорности изменяется в предела) от 1,1 до 2, а угол раскрытия от 2 до 21°. Однако, раскрытие межтурбинного пе реходника складывается из двух составляющих: раскрытия в меридионально! плоскости и увеличения аксиальной площади за счет увеличения среднего диа метра. Об этом свидетельствуют статистические данные, представленные н< рис.4, в виде зависимости угла раскрытия эквивалентного плоского диффузора ]

Мч-Г I 2Ь/Ь! .

ства переходников лежит в пределах от 0 до 10°, от степени его раскрыта) Ьз/Ь^и...^.

Данные о соотношении диаметральных и длиновых размерах переходные каналов, представлены на рис.5

меридиональной плоскости -фэкв.м =2аг^

, который для большин

Особенностью приведенных статистических данных является отсутствие аких либо тенденций и закономерностей в формировании облика межтурбиных переходников, что свидетельствует о низком уровне изученности их аэроди-амики.

В главе подробно рассмотрено формирование современных представлений течении газа в искривленных каналах при отсутствии и при наличии положи-ельного продольного градиента давления. Отмечается, что явление отрыва по-ока в таких каналах происходят под влиянием положительного продольного радиента давления, обусловленного диффузорностью канала и изменением кри-изны образующих меридиональных обводов. Также отмечено, что при течении криволинейных каналах нарушается основное условие теории пограничного лоя, то есть появляется поперечный градиент статического давления, который тановится соизмеримым с продольным, что затрудняет использование расчетах методов для пограничного слоя. Кроме того до сих пор не получено крите-ия, позволяющего достоверно определить положение точки отрыва. Более того, ;о сих пор не выработано единое мнение о том, что же все таки считать отрывом [ каков механизм взаимодействия отрывных зон с основным потоком. По этим се причинам затруднено и применение различных численных методов, поучивших широкое распространение в последнее десятилетие.

Анализ литературы на данную тему показал отсутствие экспериментально боснованных рекомендаций по меридиональному профилированию примени-ельно к переходным каналам.

Глава вторая. В этой главе рассмотрены основные современные подходы к рофилированию меридиональных обводов криволинейных диффузорных кана-ов. Дан сравнительный анализ геометрических характеристик каналов с различ-ым профилем образующей.

Наименее изученным является вопрос о влиянии изменения кривизны ме-идиональных обводов на возникновение отрыва. Из исследований течения в ис-ривленных каналах известно, что отрыв может происходить при росте положи-ельного значения кривизны. Применительно к межтурбинному переходнику, зображенному на рис.6, такой рост наблюдается при переходе от прямого уча-тка к вогнутому, при перегибе образующей, где происходит переход от выпук-

лой формы на вогнутую, и, наконец, при переходе от выпуклой стенки к прямой Как отмечалось в первой главе, наиболее сложной является проблема построения меридионального профиля межтурбинного переходника. Результаты исследований данного вопроса различными авторами, полученные в различные годы весьма противоречивы

Так по данным И.Е.Идельчика и К.Кфедяевского, полученным еще в 50-х годах при раскрытии меридионального сечения канала, соответствующему угл} раскрытия эквивалентного плоского диффузора составляющему более 25° наибольшее раскрытие целесообразно смещать в сторону выходного сечения с целью затягивания отрыва потока и тем самым снижения потерь энергии, Позднее, однако, И.Ё. Идельчиком, а затем и М.Е.Дейчем при исследовании каналов с углами раскрытия до 20° была предложена колоколообразная форма профиля образующей, как условие снижения гидравлических потерь Действительно, в таком канале пограничный слой в начале растет интенсивнее, чем в конце, но при этом еще не отрывается, а уменьшение скорости расширенш в конце диффузора приведет к увеличению устойчивости ослабленногс пограничного слоя. Таким образом, вопрос о целесообразном расположение точки перегиба образующей остается открытым. Очевидно, на решение это? задачи потребуется проведение дополнительных обширных исследований. Для данного исследования каналы выполнялись со срединным расположением точкк перегиба образующей.

Поскольку в случае криволинейных каналов одной из причиг торможения потока является рост алгебраического значения кривизны профилирование газопроводов типа межтурбинных переходников должнс обеспечивать достаточно плавное изменение продольной кривизнь: ограничивающих стенок. Применительно к патрубкам, для которых характерно наличие точек перегиба, наиболее подходящим для достижения указанной целг согласно анализу Е.Н.Богомолова является использование отрезков лемнискать: Бернулли

В данной главе приведена методика построения лемнискатнон образующей меридионального обвода межтурбинного переходника

введенный в диссертации алгоритм позволяет вычислять координаты мнискатного соединения двух точек, координаты которых заранее известны. >оме того должны быть заданы величины угла наклона линии на входе и коде. Данный алгоритм позволяет варьировать положением точки перегиба разующей, и тем самым строить межтурбинные переходники с заданным спределением кривизны и диффузорности.

Следует отметить, что при одинаковом ■ с радиусным каналом сположением точки перегиба образующей в лемнискатном канале на . чальном участке диффузорность нарастает медленнее, чем в случае циусного канала.

В третьей главе приведены данные об использованных объектах следования; описаны методика проведения экспериментов и обработки ытных данных, применяемые приборы и дано определение погрешностей мерений.

Аэродинамический стенд, используемый для исследования переходных шлов, создан на базе низконапорного вентилятора ВН-800-0,01,позволяющего пучить на номинальном режиме его работы избыточное давление в 100мм ц.ст. при массовом расходе воздуха примерно в 1,5кг/с. Такие дутьевые можности аэродинамического стенда позволяют проводить испытания 1алов при максимальных скоростях газа на входе в исследуемый канал до ч/с, что соответствует приведенной скорости /.] =0,14.

Для получения предварительных данных о влиянии кривизны образующих характеристики диффузорных каналов была изготовлена и исследована серия ¡алов с односторонней диффузорностью с четырьмя вариантами криволиней-i образующей. Длина профилированной части канала и степень диффузорно-. [ во всех случаях были одинаковыми и соответственно равными L=200mm и /Fj = 2. Были использованы следующие варианты оформления образующей:

1. прямолинейная стенка со скруглениями в местах соединения с входным и выходным прямолинейными каналами;

2. выпуклая со скруглением на выходе, имитирующая условие dp/dx = const

3. выпукло-вогнутая, образованная сопряжёнными дугами окружностей которые в свою очередь сопряжены с входным и выходным прямолинейными каналами;

4. вогнутая со скруглением на входе, отвечающий колоколообразной форме канала.

По результатам измерения полного давления определялась величина коэффициента потерь кинетической энергии:

71 > — плотность и скорость воздуха на входе в канал соответственно.

Согласно данным предварительного исследования каналов, наилучшей газодинамической эффективностью обладает выпукло-вогнутый диффузор сс срединным расположением точки перегиба образующей, несмотря на то, что максимальный внутренний угол раскрытия этого диффузора значительно выше,

чем у прямолинейного со скруглениями. (а = 28° против а = 14°). Отсюда следует, что важным фактором в отношении сопротивления диффузора является уровень скачка кривизны образующей канала на начальном его участке.

Для детального исследования особенностей течения в канале с плавным изменением кривизны, был изготовлен канал с односторонней диффузорностыс с лемнискатной образующей и со срединным расположением точки перегиба при максимально тщательном воплощении математического контура.

Глава четвертая посвящена детальному исследованию лемнискатногс канала. Точность воплощения математического профиля достигалась следующим образом:

1) изготавливался картонный шаблон соответствующего профиля, по которому выполнялся шаблон из дерева;

2) по деревянному шаблону изготавливался металлический профиль;

3) окончательная доводка профиля проводилась с помощью полиэфирной шпаклевки;

4) окончательно поверхность покрывалась нитроэмалью.

и

Исследования проводились в сопоставлении с выпукло-вогнутым каналом, риволинейная образующая которого исполнена тоже с максимальной щательностью в виде сопряженных дуг окружностей, причем точка сопряжения акже располагалась по середине профилированной части канала. Условия спытания обеих моделей были приблизительно теми же, что и в предыдущем лучае исследования каналов с односторонней диффузорностью По геометрии опоставляемые модели различались, главным образом, распределением ривизны и незначительно распределением аксиальной площади.

При детальном исследования характеристик течения вблизи радиусной и емнискатной профилированной образующей прежде всего необходимо было пределить положение точки отрыва пограничного слоя в обоих случаях, [звестные критерии ртрыва пограничного слоя в данном случае непригодны, по эображениям, изложенным в первой главе.

Согласно опытным данным Шубауэра (БсЬи'оаиег О.В.), полученным им ри исследовании поведения пограничного слоя на эллиптическом цилиндре, естом отрыва можно считать область, где скорость на в пограничном слое на »личном расстоянии от стенки одинакова. Используя этот факт для тределения точки возникновения отрыва, были проведены пневмометрические змерения непосредственно в пограничном слое на двух фиксированных 1ССтояниях от стенки, равных 0,4 мм и 1,5мм. Местом отрыва считалась точка в )Торой выполнялось условие равенства скоростей \¥|у=0 4 = \Vjy_i 5.

Результаты данного исследования, представлены на рис.7, 8 в виде .висимости скорости потока вблизи стенки, отнесенной к скорости на внешней |анице пограничного слоя = от продольной координаты, отнесенной

длине профилированного участка канала х = хД,. Согласно этим данным, ■рыв потока в обоих каналах возникает на одинаковом удалении от входа в 1нал, при х = 0,25...0,27.

Однако вследствие дальнейшего нарастания раскрытия канала с лемни-:атной образующей отрывная зона в нем развивается более интенсивно, чем в :учае радиусных образующих, где раскрытие канала в области следующей за чкой отрыва протекает медленнее. Таким образом результаты данного иссле-

дования показали, что срывные свойства лемнискатного и радиусного каналов приблизительно одинаковы, а факт наличия более развитой отрывной зоны в лемнискатном канале можно считать несущественным, так как этот факл обусловлен слишком высокой степенью меридиональной диффузорноста (¥2/^1 =2) в исследованных каналах, выходящей за пределы геометрических характеристик известных переходников (рис.4).

Глава пятая посвящена выявлению достоинств лемнискатногс профилирования в отношении ослабления негативного влияния отрыва потока вследствие резкого изменения кривизны канала. Был изготовлен лемнискатный канал с поворотом потока на 28° с постоянной высотой проточной части Исследуемая модель была исполнена таким образом, чтобы за счет доработи торцевых стенок можно было варьировать степенью диффузорноста переходника. Для сравнения был изготовлен аналогичный канал с криволинейными образующими радиусного контура. Канал оборудовало входным и выходным патрубками и препарировался под замер статическогс давления на криволинейных образующих. Для сравнения был изготовле! аналогичный канал с криволинейными образующими радиусного контура. Пр! продувке каналов производилось траверсирование выходного сечения.

Кроме того была выполнена визуализация линий тока вторичного теченю на торцевых стенках каналов. Это достигалось нанесением на внутреннюк поверхность боковой стенки капель чернил, траектория движения которые повторяла собой линии тока.

Результаты измерений эпюры полного давления в средней плоскосп канала показали , что потери связанные с обтеканием лемнискатной образующе{ существенно ниже, чем в случае радиусного поворота во всем диапазон« исследованных диффузорностей. Это легко увидеть из рис.9, где приведен! зависимость коэффициента потерь энергии, связанных с обтеканием профши образующих от степени диффузорности канала.

Сопоставление эпюр коэффициента потерь энергии на выходе из канала приведенных на рис.10, указывает на отрывной характер течения в радиусног» канале. Согласно математической модели профессора Е.Н.Богомолова толщин;

пограничного слоя, расположенного за отрывной зоной складывается из толщины пограничного слоя до отрыва и высоты отрывной зоны. Это и наблюдалось в радиусном канале, где фактически произошло смыкание пограничных слоев на выпуклой и вогнутой стенках.

Последний этап экспериментальных исследований состоял из продувки полного лемнискатного переходника. Высота проточной части, так же как и в случае каналов с поворотом потока была постоянной — ^ = Ъ.2 = 50мм. Степень диффузорности также варьировалась за счет доработки боковых стенок. На входе в канал и выходе из него предусматривались патрубки с прямолинейными образующими. Длина профилированной части канала составляла Ь=200мм, величина подъема средней линии — Нср л = 50мм. Согласно статистическим

данным, представленным на рис.11 такое соотношение геометрических параметров отвечает некоторому среднему для выполненных конструкций межтурбинных переходников ГТД.

Для решающего доказательства о наличии безотрывного характера течения в лемнискатном искривленном канале были осуществлены продувки плоской модели полного переходного канала со степенью диффузорности ¥2/^1 = 1 при 40 значениях числа Рейнольдса с измерением потерь полного напора. По

результатам измерений была построена регрессия коэффициента сопротивления £

£,= (Спр — коэффициент потерь кинетической энергии, связанный с

обтеканием меридиональных обводов канала; здесь Бг = 2Ь — гидравлический диаметр канала бесконечной ширины, Ь - длина профилированной части канала вместе с выходным патрубком) от числа Рейнольдса, представленная на рис.12. Полученное уравнение подобия

^ = 0,379Ке~0,248

близко к известной формуле Блазиуса для коэффициента сопротивления в

_л г

гладкой трубе - £ = 0,316411е ' . Коэффициент корреляции в этом случае :оставил 0,993, а стандартное отклонение, определенное как

ст =

эксп.: ~~ ^регр..- ] -0,00017 (1\; - число опытов; %эксп. - экспери-

n

ментально полученное значение коэффициента сопротивления; £регр . - значение, вычисленное по полученному уравнению регрессии). Относительная величина стандартного отклонения составила при этом ст «1%. Иначе говоря, потери в случае лемнискатного канала практически соответствуют потерям трения. Это доказывает безотрывный характер течения в в-образном канале с лемнискатной формой образующей. То есть потери в этом случае соответствуют потерям трения. Аналогичные эксперименты с радиусным каналом дали уравнение —0 278

£ = 1,01311е ' из которого видно, что потери в радиусном Б-образном канале значительно превышают потери трения. Кроме того, коэффициент корреляции 0,7, полученный в данном случае, свидетельствует о том, что регрессия ^^Д^И-е) не является линейной. Все это свидетельствует об отрывном характере течения в канале с радиусными образующими.

Результаты прйдувки каналов при различной степени диффузорности (^гМ = 1..-2,2), представленные на рис.13... 15 показали, что лемнискатный канал сохраняет свои преимущества по сравнению с радиусным каналом в указанном диапазоне степеней диффузорности. Это касается также и вторичных потерь — _ Спр —суммарный коэффициент потерь энергии в исследуемом канале), то есть потерь связанных с влиянием боковых стенок, изменение которых в зависимости от диффузорности представлено на рис.15, фактически имитирующих силовые стойки межтурбинного переходника.

На рис.16, изображена зависимость отношения скоростей в ядре потока на входе в канал и выходе из него —от степени диффузорности канала. Видно, что течение в лемнискатном канале сохраняет диффузорный характер на протяжении всего диапазона изменения его геометрической диффузорности. В радиусном канале, эффективная диффузорность начинает стремительно падать при достижении /Б} = 1,5...1,6. При отношении площадей равном 2,2 течение в радиусном канале практически перестает быть диффузорным. Это свидетельствует о наличии весьма существенных отрывных явлений вблизи боковых стенок.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Проведено экспериментальное исследование диффузорных каналов с криволинейными образующими для ряда вариантов исполнения контура образующих. Доказана целесообразность лемнискатного профилирования криволинейных образующих переходников.

Разработана методика и созданы программные средства, позволяющие строить лемнискатные образующие и анализировать геометрические характеристики спрофилированных переходников.

С помощью м!оделей получены экспериментальные характеристики типичных размеров лемнискатного поворота и лемнискатных межтурбинных переходников с различной степенью диффузорности. Составлено уравнение подобия, связывающее коэффициент сопротивления переходника с числом Рейнольдса для случая лемнискатного канала умеренной диффузорности. Доказан безотрывный характер течения в S-образном канале с лемнискатной формой образующих при умеренной диффузорности.

Сформулированы рекомендации по практическому применению лемнискатного профилирования межтурбинных переходников.

Основные материалы диссертации опубликованы в работах

1. Богомолов E.H., Буров М.Н., Ремизов А.Е. Исследование особенностей течения газа в межтурбинном переходнике газотурбинного 'двигателя // Известия вузов. Авиационная техника.-Казань,: КГТУ,-№4.-1995г.-С.84-87.

2. Буров М.Н. Исследование особенности течения газа в межтурбинном переходнике ГТД // Сборник тезисов докладов молодежной научно-технической конференции "XX Гагаринские чтения ".-Часть 2.-Москва,:МГАТУ.-1994.-С.91-92.

3. Богомолов E.H., Буров М.Н., Ремизов А.Е. Исследование течения газа в диффузорных каналах с различной формой образующей //

Материалы всероссийской научно-технической конференции "Процессы горения и охрана окружающей среды".- Часть 2-Рыбинск. -РГАТА.-1997г.-С.5-10.

4. Буров М.Н. Особенности течения газа в межкаскадных диффузорах ГТД с различной формой образующей // Сборник тезисов докладов молодежной научно-технической конференции "XXI Гагаринские чтения". -Часть 2.-Москва.: МГАТУ.-1995.-С.86.

5. Богомолов' E.H., Буров М.Н., Ежелин С.И., Ремизов А.Е. Экспериментальное исследование вихреобразования и вихревого массопереноса при обтекании профилированной стойки в диффузорном канале // Тезисы докладов IX конференции "Теплофизика технологических процессов".-Часть2.-Рыбинск.:-РГАТА.-1996.-С.97.

6. Буров М.Н. Основные проблемы профилирования межтурбинных переходников ГТД // Сборник тезисов докладов молодежной научно-технической конференции "XXIV Гагаринские чтения ".-Часть 6.-МГАТУ.-М..-1998.-С.94.

Схема межтурбинного переходного канала

Рис.1

Эволюция проточной части межтурбинного переходника ТРДД фирмы General

Electric

, град 16 -14 -12 10 -В -

ge90 (1994) cf6.- so а (1981) -5*°

cfm-56-3 (1984) у ><^ncfeb8(1991) cf6-50a (1972) / n^s4bcf6-6d (1970)

i/e'ge /

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 F,/Fi Рис.2

Статистические данные об углах и степени раскрытия эквивалентного плоского диффузора для межтурбинных переходных каналов.

Ф экв,град

22 -

20 -

18 -

16

14

12

10 -

8 -

6 -

4 -

□ Авиационные х Энергетические

Ларзак □

Д-36 D

Д-100 □

ALF502R-7 □

TFE731-5 □

V2500 □

Д-18Т а

RB211-524G

MTFE PW □

ГВД-1500

572-К ПЮ500 □

RTM321 □

•р127-300

PW100 VUt........

ТВ116-300°ттг RTM322 D 0CF6-6D а ВГТД-43 □ oMaKimai.A

□ PW2000, PW4000 х п а п e3PW rtm333 T700-GE-401 п

пЕ3СЕ GE"36

МТМ380 а Р126-300

Т"

"Т"

"Т"

GE90 □

ГП-2

ГП-1

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.: Рис.3.

-

1.9

2 F^

Статистические данные по степени диффузорности и углу раскрытия в меридиональной плоскости межтурбинных переходных каналов

гэквн.град

16 -

14 -

12 -

10 -

8 -

6 -

4 -

2 -

0 ■

-2 -

-4 -

О Авиационные х Энергетические

АЬР-502К-3 °

Ларзак 04

ТРЕ731-5 □

КВ211-5240 МТТЕР\У „1

Я** О *

ГТ-750-6 Тт.700-5 ТВД-1500

МТМ380 КТМ32, хГП-1

гте и ™ ОЕ"92,Ч5ТМЗЗЗ ГТН-9-750 х ОМакила 1-А

Р126-300-Лох ТА

ктмзЪ сгмо

300 ВЕМ-85;Р\У2000,Р\У4000;Т700-СЕ-401;ТВ116-300,Е3ОЕ и , наследуемые каналы Е РУ/

0.6

0.8

1.2 1.4 Рис.4.

1.6

1.8 Ь2/Ъ,

Статистические данные о об относительных размерах межтурбинных переходных каналов.

Рг<А

2.2 -

2 -

1.8 -

1.6 -

1.4 -

1.2 -

У2500

1

□ Авиационные х Энергетические

СЕ -36 □

Р127-300 □

СЕ-90 □

ВГГД-43 СР6-60

Д-100 Е5Р%' хР126-300 °

° □ г? □ КТМ321

,Л™004°'ХМПТ1:ЕЖ™2! Макила 1 - А ТВ116-300/рш^рЁ731 ^МТМ-380 О

/ ¿¿°~~п!Ш2П-524а ТВ^-ИОО

?тт пД-зб ОД-18ТОе3СЕ

572-Кх и Ларзак О „„

хГП-2 ' ПТМЗЗЗ

ГП-1 х

Т

1

г~

4 5 Рис.5.

7 Ь/Ь,

Отрывное течение в межтурбинном переходнике ГТД

Рис.6.

Изменение относительной

скорости вблизи профилированной стенки по длине лемнискатного канала

0,85 0,8 0,75 0,7 %5 0,6 0,55 0,5

к

N

ч

\

-0,1

0

0,1 5С

0,2 0,3

д у=0,4мм - эксперимент,

-у=0,4мм - сплайн,

а у=1,5мм - эксперимент, - - у= 1,5мм - сплайн

Изменение относительной скорости вблизи профилированной стенки по длине радиусного канала

0,8 0,75 V 0,7 0,65 0,6

— аук

1

А

1 г Ч

-0,1 0

0,1 х

0,2 0,3

о у=0,4мм - эксперимент

у=0,4мм - сплайн, • у= 1,5мм - эксперимент, ■ ■ у=1,5мм - сплайн

Рис.7

Рис.8

Коэффициент потерь, связанных с обтеканием образующих канала с поворотом потока

0,12 0,10

0,06 0,04 0,02

1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5

Fa/Fj

-о-Радиусный канал, —^-лемнискатный канал Рис.9

Распределение коэффициента потерь кинетической энергии на выходе по высоте канала с поворотом потока при отсутствии диффузорности 1

0,8

Z °-6 0,4

0,2

0

' 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

С 2пр

-о- Радиусный канал -а- Лемнискатный канал Рис.10.

Статистические даирые о геометрии межтурбинных переходных каналов ГТД Нср/Ь'

0.60.5 0.4-1 0.3 0.2 0.1 О

□ Авиационные X Энергетические

□ д-юо

хмттЕрда

□ Е3Р\У

Р№"2000;РИ'4000 □

М211-524Сс1

Ларзак 04

а отре7:

Т700-ОЕ-401

о аТ1 °ТВ116-300 'ЗУ2500

ЕМ-85 ^™380

х Ы-500П Т1 Е3йЕ

ЯТМ322 □ЯТМ321 □

и Исследуемые каналы

ХТА хГП-1

□

та д. 1500 е

тмзззс

Макила1-А ХГП-2 □ ЯВЗбО

1

4 5 Рис.11

СЕ-36 О

7 ЬЪ,

X ГТ-700-5

Аи-502К-3

ГТК-10-3

Регрессия для коэфиициента сопротивления в Б-образном канале с лемнискатными образующими

-1,64 -1,66 -1,68 Ы -1.70 -1,72 -1,74 -1,76 -1,78

4,9 5,0 5,1 5,2 5,3 5,4 5,5

Ы Яе

Д Эксперимент; -регрессия

Рис.12

Зависимость суммарного коэффициента потерь энергии в 8-образном канале от степени его диффузорности

0,6 0,5 ^0,4 0,3 ОД 0,1

/1 Ш—Ч

/ А

у ✓

Зависимость коэффициента потерь энергии в Б-образном канале, связанных с обтеканием меридиональных обводов от степени его диффузорности

0,12

1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2

Ъ/Ъ

Лсмнискатный канал; •о— радиусный канал

1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2

-чйг-Лемнискатный канал; ■ радиусный канал

Рис.13

Рис.14

Зависимость коэффициента , потерь в Э- образном канале, связанных с влиянием боковых стенок от степени его диффузорности.

0,5

пр

0,4 0,3 0,2 0,1 0,0

О г "

/

* /

т

\Уо! Ш02

1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 Р2/Р1

-£г-Лемнискатный канал; -о-Радиусный канал

Зависимость отношения скорости в ядре потока на входе к скорости в ядре потока на выходе из Б-образного канала от степени

1,20 1,15 1,10 1,05 1,00

его дифй >узорности

/ \

(

\

V

1,0. 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2

Ъ/Ъ

■ Лемнискатный канал;

■ радиусный канал

Рис.15

Рис.16

л , I •■ • / ., ... ^ »

РЫБИНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АВИАЦИОННАЯ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

УДК 621.438

<

■ БУРОВ МАКСИМ НИКОЛАЕВИЧ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕЖТУРБИННЫХ ПЕРЕХОДНЫХ КАНАЛОВ С ЦЕЛЬЮ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ФОРМЫ

ИХ МЕРИДИОНАЛЬНЫХ ОБВОДОВ

Специальность: 05.07.05 "Тепловые двигатели летательных аппаратов"

I

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки и техники Российской федерации доктор технических наук, профессор Богомолов E.H.

Рыбинск 1998.

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

Введение.......................................................... 6

Глава 1. Достижения в развитии исследования течения газа в межтурбинных переходных каналах газотурбинных двигателей........................................................ 9

1.1. Основные тенденции в развитии газотурбинных

двигателей по параметрам рабочего процесса и

«

связанные с этим изменения в облике их проточной части............................................................... 9

1.2. Формирование современных взглядов на течение газа в криволинейных каналах при наличии продольного положительного градиента давления........................ 27

1.3. Применение численных методов для расчета отрывного турбул ентноготечения.......................................... 50

Глава 2. Обоснование выбора формы образующей

меридионального обвода исследуемых каналов........... 54

2.1. Известные способы профилирования меридиональных обводов сложнопрофильных элементов газотурбинных двигателей........................................................ 54

2.2. Современные подходы к выбору формообразующей кривой меридиональных обводов проточной части газотурбинных двигателей.................................... 59

2.3. Методика построения лемнискатной образующей меридионального обвода межтурбинного переходника ГТД................................................................... 62

2.4. Сравнение геометрических характеристик

диффузорных каналов с радиусным и лемнискатным профилем образующей........................................ 66

Глава 3. Разработка экспериментального стенда и методики исследования. Результаты предварительных исследований каналов с односторонней диффузорностью................................................ 73

3.1. Экспериментальный стенд для исследования аэродинамических характеристик переходных

I

каналов.............................................................. 73

3.2. Применяемые в экспериментах зонды и приемники давления........................................................... 75

3.3. Погрешности измерений....................................... 79

3.3.1. Погрешности измерения полного напора.................. 79

3.3.2 Погрешности измерения статического давления......... 81

3.3.3. Инструментальные и установочные погрешности....... 83

3.4. Плоские каналы с односторонней диффузорностью с различными вариантами профилирования образующей для исследования влияния кривизны образующей....... 83

3.4.1. Описание каналов с односторонней диффузорностью... 83

3.4.2. Измеряемые параметры и методика проведения экспериментов................................................... 87

3.4.3. Методика обработки результатов измерений............... 88

3.4.4. Результаты исследования влияния кривизны образующих плоских каналов с односторонней диффузорностью в местах изменения направления потока на его характеристики................................. 91

Глава 4.

4.1.

4.2.

4.3.

4.4.

4.4.1.

4.4.2.

Глава 5.

5.1.

5.1.1.

5.1.2.

Детальное исследование особенностей течения в каналах с односторонней диффузорностью с лемнискатной и радиусной профилированными 95

образующими.....................................................

Геометрические параметры каналов с односторонней диффузорностью при лемнискатном и радиусном

профилировании образующей................................. 95

Измеряемые параметры и методика проведения

эксперимента....................................................... 97

Методика обработки результатов измерений............... 99

Результаты исследования каналов с односторонней диффузорностью при лемнискатном и радиусном

оформлении профилированной образующей............... 103

Результаты траверсирования каналов с односторонней

диффузорностью.................................................. 103

Исследование пограничного слоя вблизи профилированной образующей лемнискатного и

радиусного каналов............................................... 109

Исследование криволинейных каналов с поворотом потока и Б-образных каналов при лемнискатном и радиусном профилировании меридиональных

обводов............................................................ 119

Исследование каналов с поворотом потока................ 119

Модели плоских каналов с поворотом потока с

лемнискатными и радиусными образующими............ 119

Измеряемые параметры, методика проведения и обработки результатов эксперимента....................... 121

5.1.3. Результаты траверсирования криволинейных каналов с поворотом потока................................................ 123

5.1.4. Экспериментальное и теоретическое исследование кинематики вторичных течений в изогнутом канале......................'......................................... 135

5.2. Экспериментальное исследование 8-образных каналов при, лемнискатном и радиусном профилировании меридиональных обводов...........:.......................... 143

5.2.1. Модели плоских 8-образных каналов....................... 143

5.2.2. Измеряемые параметры и методика проведения и обработки результатов эксперимента........................ 147

5.2.3. Результаты исследования 8-образных каналов с лемнискатным и радиусным профилем образующих при различных числах Рейнольдса........................... 148

5.2.4. Результаты траверсирования 8-образных криволинейных каналов с лемнискатной и радиусной формой образующих меридиональных обводов при

различной степени диффузорности.......................... 156

Выводы по работе................................................ 167

Приложение 1. Координаты профиля образующих исследованных

каналов............................................................ 168

Приложение 2. Результаты продувок каналов с односторонней

диффузорностью................................................ 184

Приложение 3. Результаты продувок Б-образных каналов и каналов с

поворотом потока............................................... 191

Литература....................................................... 204

ВВЕДЕНИЕ

С самого начала развитие газотурбинных двигателей шло по пути повышения степени сжатия и максимальной температуры рабочего тела в цикле. В последние полторагдва десятилетия эта тенденция привела к некоторым качественным изменениям в конструктивном облике газовоздушного тракта двигателя. В частности, уменьшение высоты проточной части, как следствие высокой плотности и энергонасыщенности рабочего тела, вынуждало разработчиков двигателей максимально понижать относительные диаметральные размеры турбокомпрессора каскада высокого давления с тем, чтобы предотвратить чрезмерный рост потерь по причине радиальных зазоров и вторичных течений, усиливающих свое негативное влияние по мере уменьшения высоты проточной части, то есть длины лопаток компрессора и турбины высокого давления. В то же время необходимость обеспечения достаточно высокой массовой и газодинамической эффективности лопаточных машин каскада низкого давления требовала реализации относительно больших диаметральных размеров вентилятора и турбины низкого давления. В результате в конструкции двигателя появились специальные элементы — газодинамические переходники соединяющие проточные части каскадов высокого и низкого давления как на участке сжатия рабочего тела, так и на участке его расширения.

Однако, опыт разработки двигателей вскоре показал, что наличие газодинамических переходников, особенно межтурбинных, где скорость движения газа достаточно высока, приводит к существенному снижению эффективности двигателя вследствие больших потерь напора в этих переходниках. В процессе доводки двигателей с межтурбинным переходником разработчикам пришлось пойти на компромисс, то есть в

ущерб эффективности турбины низкого давления по возможности пренебречь необходимостью в развитом переходнике и тем самым снизить связанные с ним потери полного напора.

Вместе с тем, подобное решение носит частный характер и не снимает проблемы совершенствования межтурбинных переходников, поскольку их

I

появление в конструкциях не является случайным, а отражает объективные свойства современных и перспективных газотурбинных двигателей.

В то же время уровень изученности аэродинамических свойств подобных устройств остался недостаточным, несмотря на значительные усилия в этом направлении ряда научно-исследовательских и конструкторских организаций (РГАТА, МЭИ, КАИ, ЦИАМ и др.). В частности, до последнего времени не были разработаны рекомендации по профилированию образующих переходников, что очевидно затрудняет создание достаточно совершенных переходных каналов проектируемых двигателей. Поэтому исследования, посвященные выявлению влияния геометрии меридиональных обводов на характеристики течения в межтурбинных переходниках являются актуальными.

Цель работы состоит в следующем:

1) Провести систематическое экспериментальное исследование диффузорных каналов с криволинейными

• образующими для ряда вариантов исполнения их контура.

2) Сформулировать рекомендации по практическому

I

применению лемнискатного профилирования меридиональных обводов переходных каналов.

3) Разработать методику построения меридиональных обводов переходного канала с помощью сопряженных между собой отрезков лемнискат.

Несмотря на серьезное внимание, уделяемое переходным каналам многими научно-исследовательскими и проектными организациями в России и за рубежом, полученные в данном исследовании результаты, насколько известно, не имеют аналогов среди опубликованных данных. В первую очередь это относится к фактическим данным о влиянии закономерностей изменения кривизны меридиональных обводов переходных каналов на возникновение отрыва пограничного слоя. Новизна проведенных

исследований заключается, как в постановке задачи, предполагающей

*

I

выработку практических рекомендаций по профилированию меридиональных обводов переходников, так и в полученных результатах, которые впервые позволили:

— выявить влияние изменения кривизны на характер течения в канале с положительным продольным градиентом давления;

— установить факт безотрывного течения в криволинейном канале с плавным изменением кривизны;

— установить влияние диффузорности на уровень вторичных потерь и потерь, связанных с обтеканием меридиональных обводов в каналах при различных способах их профилирования.

Практическая значимость работы состоит в том, что на основе полученного экспериментального материала сформулированы практические рекомендации по профилированию меридиональных обводов межтурбинных переходных каналов газотурбинных двигателей.

ГЛАВА 1.

ДОСТИЖЕНИЯ В РАЗВИТИИ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕЧЕНИЯ ГАЗА В

МЕЖТУРБИННЫХ ПЕРЕХОДНЫХ КАНАЛАХ ГАЗОТУРБИННЫХ

ДВИГАТЕЛЕЙ

1.1 Основные тенденции в развитии газотурбинных двигателей по параметрам рабочего процесса и связанные с этим изменения в облике их

проточной части

Особенности разработки современных газотурбинных двигателей для дозвуковой гражданской авиации и двигателей наземного применения рассматриваются в соответствии с требованиями к показателям назначения (удельный расход топлива и удельная масса двигателя), уровню влияния на окружающую среду, уровню надёжности и безопасности и показателям эксплуатационной технологичности.

Требуемые значения расхода топлива обеспечиваются выбором

исходных параметров (тик, Тг, т), а также рядом мероприятий, направленных на улучшение показателей рабочего процесса /15/:

— повышением термического КПД рабочего цикла;

— повышением КПД отдельных узлов и снижением потерь энергии в газовоздушном тракте двигателя;

Другими словами, главная задача разработчиков ГТД, это повышение эффективного КПД двигателя,, которое достигается рациональным выбором параметров рабочего цикла.

Главной тенденцией в совершенствовании рабочего процесса авиационных газотурбинных двигателей является повышение температуры

газа перед турбиной Тг. Это обусловлено тем, что с увеличением Тг повышается удельная и лобовая тяга двигателя и снижается его удельная

масса. Но увеличение Тг требует, как известно /1/, одновременного

увеличения степени повышения полного давления в компрессоре 7СК для обеспечения наибольших удельных тяг и наименьших удельных расходов

топлива. Поэтому для авиационных ГТД характерно в процессе их развития

* *

одновременное интенсивное увеличение Тг и пк. Эта тенденция хорошо

пп* *

видна на рис 1.1., и 1.2., где показано изменение Тг и 7ГК различных авиационных ГТД в зависимости от года их сертификации, полученное по статистическим данным, опубликованным в открытой печати /19, 20, 21, 25, 12/.

Кроме того, потребность в разработке мощных ТРДД с большой степенью двухконтурности обуславливалась общим ростом массы широкофюзеляжных пассажирских и транспортных самолётов, эксплуатация которых началась в конце 60-х годов. В связи с этим наблюдается рост степени двухконтурности ТРДД (рис. 1.3).

Таким образом, из анализа общих тенденций развития мирового авиационного двигателестроения можно сделать вывод, что с самого начала

совершенствование авиационных газотурбинных двигателей шло по пути

*

увеличения степени повышения полного давления к и температуры газа

К

$

перед турбиной Тг, а также степени двухконтурности. В последние полтора -два десятилетия эта тенденция привела к некоторым качественным изменениям в газовоздушном тракте двигателя. В частности, для двухконтурных двигателей характерны более высокие значения относительного диаметра втулки на входе в компрессор по сравнению с

компрессорами ТРД (с!^^ =0.6...0.8 по сравнению с =0.35...0.45 у

квх квх

ТРД /1/), что связано с различием расходов воздуха в вентиляторе и компрессоре и стремление к сокращению переходного канала между ними.

Рост параметров цикла и степени двухконтурности ТРДД по годам их

развития

Тг,К

1600 1550 1500 1450 1400 . 1350 1300 1250

1200 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 Год сертификации

Рис. 1.1

7Г'К 28

24

20

16

12

1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 Год сертификации

Рис. 1.2

гп

6 5 4 3 2 1

Р\У2 Р\У2037а 040а С □ 'М56-5С2

. с СР6-6Ш Р6-50А 0 (¡Т6-80АЗ :РМ56-2С1 ■90-74 ^ Р\¥4052

11В.211-524В ДТ90-3 ° а; 2П-524В4

аКВ.2 □ Пегас 11 1-22В

□ ГГ80-15 Тей 620 □

ТТЕ731-2

то-зв □ то-7

СР6-50А □ 1 Р ЯВ.211 -524В □ а ор СР6-80АЗ ¡"»"О СРМ56-5С2 В.211-524В4

СР6-60( ЯВ .211-2 1 а Р\У2037П 1 2В СРМ56-2С1 § 1 □ ОР\У2С Р\У4052 40

□

тр-зв □ то-7 аТРЕ7 § Псгас 11 31-2 5 Той 620

СРМ56-2С1 _ PW2037 СР - М56-5С2

СР6-60, ЛТ90-7А □ Р а РУ/2040 ■У4000

а ЯВ.211-22 СР6-50А 190-74 □ В ЯВ.2! 1-52 СР6-80АЗ □ □ В ЯВ PW4052 211-524В4

Тей «20

□ ТРЕ731-2

ЛЗЭ-ЗВ а Л80-7 □ Псгас 11 °то-15 □-

1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 Год сертификации

Рис. 1.3

Увеличение относительных диаметральных размеров первых ступеней турбины От /И - средний диаметр рабочего колеса турбины

газогенератора на входе; Ь - высота лопатки рабочего колеса на входе) позволяет при постоянных значениях параметра напряжений

8 = тсЕг (п/бо)2, [м2/с'2 ] (Рт - аксиальная площадь на выходе из турбины) увеличивать окружные скорости рабочего колеса турбины газогенератора

(рис.1.4), что способствует уменьшению продольных размеров

«

газогенератора, а также является одним из важных факторов освоения высоких температур в авиационном двигателестроении /1/.

Связь между отношением Т>т/\\. и окружной скоростью для колеса турбины при постоянных значениях параметра напряжений.

итср, м/с

700 600 500

т зоо 200 700

СРИ Ь5

ЗТ8В < 1-ЗГ-* з.гп 10 5 тс 7 а

З&он. Ш8 > Г* 1 ТРЗ!Ь г} 1- ' / Г л?-

' 1 Пии

/

1

2 4 6 8 10 12 /4 16 т дТ/Ь

• — одноступенчатые турбины и вторые ступени двухступенчатых турбин; О —первые ступени одновальных двухступенчатых турбин ТРД и газогенераторов

Рис.1.4.

Кроме того, увеличение энергонасыщенности и плотности рабочего тела, как и увеличение относительных диаметральных размеров газогенератора, приводит к уменьшению высоты проточной части газовоздушного тракта двигателя. Это в свою очередь заставляет уменьшать относительные диаметры турбокомпрессора каскада высокого давления с тем, чтобы предотвратить чрезмерный рост потерь по причине радиальных зазоров и вторичных течений, устанавливающих свое негативное влияние по мере уменьшения высоты проточной части, то есть длины лопатки компрессора и турбины высокого давления.

В то же время, турбина вентилятора ТРДД имеет невысокие окружные скорости, причем, с увеличением степени двухконтурности окружная скорость резко уменьшается, а, следовательно, существенно возрастает потребное число ступеней турбины вентилятора. Таким образом, для обеспечения массовой и газодинамической эффективности лопаточных машин каскада низкого давления в ряде случаев увеличивают средний диаметр проточной части турбины вентилятора по сравнению с турбиной газогенератора. Это достигается с помощью переходного диффузорного канала, как например, у двигателей СБ6, У2500, Р^У^ООО или посредством широкого соплового аппарата первой ступени турбины вентилятора с

I

увеличивающимся средним диаметром, как у двигателей ЫВ211, Р\У2037. В результате в конструкции двигате�