автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Исследование методами численного моделирования форсирования судового газотурбинного двигателя впрыском воды

и А

/ '■> ■ ' д

\ Министерство транспорта Российской Федерации

Департамента речного транспорта ВОЛЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА

На правах рукописи МАЛАХОВ Алексей Валентинович

УЖ 629.12- 03 + 532.5

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДАМИ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ФОРСИРОВАНИЯ СУДОВОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ ВПРЫСКОМ ВОДЫ

Специальность 05.08.05 Судовые энергетические установки и их элементы С главные и вспомогательные)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени • кандидата технических наук

Н.Новгород 1994

Работа выполнена в Нижегородской государственном техническом университете.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор В. Л. Химич.

Научный консультант - кандидат физико-математических наук Е. А. Косолапов.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор-

B. И. Меркулов.

- кандидат технических наук, доцент

C. Н. Валиулин.

Ведущая организация: АО ЦКБ по СПК (г. Н. Новгород)

Защита диссертации' состоится "21 " 1995г. в

_часов на заседании специализированного совета К116.03.02 в

Волеской государственной академии водного транспорта по адресу: 603005 г.Н.Новгород, ул. Нестерова, д. 5, ауд. 231.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВГАВТа.

Автореферат разослан "_" •'_199_г.

*

Н. А. Пономарев

Ученый секретарь

специализированного совета .у /J доце.чт, к.т.н.

• г

Подп. к печ. 14.12.94. Форнат 60x84А/1б« Бумага газетная. Печать

офсетная. Уч.-изд.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 257. Бесплатно. ______к___

Лаборатория о^етной печати полиграфической базы НГТУ.

603022, Нигний Новгород, пр. Гагарина, I.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕР1&ТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Для легких быстроходных судов с динамическим принципом поддержания перспективным , является использование энергетических установок с газотурбинными двигателя;,и С ГШ. Анализ использования ГТД на судах на воздушной подушке и экранопланах указывает на необходимость их кратковременного форсирования на специальных режимах расоты.

Из существующих способов увеличения модности ГТД для судоБых установок наибольший интерес представляет форсяровка впрыском воды в тракт высокого давления двигателя. Это объясняется простотой, надежностью и высокой эффективностью данного метода, не требующего больших капитальных и энергетических затрат в условиях автономной работы на судах.

Эффективность форсировки ГТД впрыском, воды определяется качеством организации процессов впрыска и испарения гидкости, совершенствование которых возможно за счет оптимизации параметров впрыскиваемой воды, места и порционности впрыска. Поэтому применение испарительного охлаждения требует детального исследования всех процессов, сопровождавши впрыск еоды в компрессор двигателя.

Большинство исследований данного вопроса, проведенные до настоящего времени, базируются на экспериментальных и полуэмпири-ческях методиках. Основный их недостатком является то, что при по-ступенчатом расчете компрессора получаются данные о параметрах потока за ступенями, и остаются в тени процессы, протекающие в решетках профилей и оказывающие существенное влияние на работу двигателя. Кроме того, применение этих методов требует большого количества дорогостоящих экспериментальных данных для каждого конкретного двигателя. Современное состояние математического моделирования позволяет описывать двухфазные течения в более общей постановке, что имеет преимущество по сравнению с полуэмпирически-Ш1 моделями.

Таким образом, потребности соверпенствованпя форсировки газотурбинных двигателей впрыском воды в тракт высокого давления указывают на необходимость численных исследований двухфазных течений с фазовыми переходами по тракту компрессора ГТД, а современное состояние развития числешшх методов дает возможность решать такие

задачи. Это определяет актуальность теш диссертации.

Цель работы. Целями диссертационной работы являются:

- выбор и доработка математических моделей, описывавших основные процессы двухфазны::"течений в трактах ГТД;

- разработка численных алгоритмов решения уравнений математических моделей, их программная реализация и тестирование;

- выбор параметров ззшкой фазы и оптимизация места и порцион-ности впрыска на основе анализа двухфазных течений воздуха с каплями воды по тракту двигателя;

- разработка предложений по организации процесса форсирования ГТД впрыском воды.

Научная новизна. Научная новизна и личный вклад автора заключается в следухжем:

- предлогена обаая математическая модель двухфазного течения с фазовыми переходами по тракту ГТД, и разработана упрощенная модель этого ze течения в специальном квазиодноыерном приближении С КОШ;

- создана и реализована в комплексе прикладных программ методика численного исследования форсировки ГТД впрыском воды, основанная на применении метода крупных частицСМКЧ) и специального КОП;

- выработаны рекомендации по организации форсировки ГТД впрыском воды,

Оасснованность и достоверность результатов диссертационной рассты подтверждается тестовыми расчетами на различных экспериментальных и численных данных других авторов, а также на задачах, имеет::: точное ресение.

практическая ценность выполненной работы заключается в воз-мозшэсти применения разработанного ко!.шлекса программ для: исследования двухфазных течении по' тракту ГТД; выработки рекомендаций по оптимизации форсирования двигателя впрыском воды; получения ■ эксплуатационных зависимостей необходимого количества впрыскиваемой воды для кратковременного форсирования и стабилизации мощности двигателя при колебаниях температуры наружного воздуха. Применение данного комплекса программ позволяет до минимума свести количество дорогостоящих натурных экспериментов, и на этапе проектирования двигателя оптимизировать его конструкцию

s»

для повышения эффективности его форсировки впрыском воды.

Часть результатов диссертационной работы внедрена в Арзамасском опытно-конструкторском depo в комплексе автоматизированных исследований на аэрохолодильной баротрубе.

Апробация работы. Положения и еыводы диссертации докладывались и получили положительную оценку на IX Научной конференции молодых ученых и специалистов Волго-Вятского региона СГорький -1989); Всесоюзном семинаре ВНТО им. академика А.Н.Крылова "Системный анализ и математическое моделирование судогого теплообменного соорудования" (Севастополь - 1989); III Всесоюзной конференции "Метод крупных частиц: теория и приложения" (Москва - 1990); I, II Международной конференциях "Метод крупных частиц: теория и приложения" (МоскЕа - 1992,1994); XL Научно - технической сессии РАН по проблемам газовых турбин (Рыбинск -1993).

Публикации. Основное содержание работа отражено в девяти публикациях автора.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации - 172 стр., из них - 137 стр. машинописного текста. Рисунков - 66, таблиц - 8, список литературы включает в себя 133 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена актуальность те;.«, определена цель и направление исследований, сформулирована научная и практическая значимость диссертации и даио краткое содержание глав.

Первая глава диссертации посвящена анализу существующих способов форсирования газотурбинных двигателей. . Показана необходимость форсирования судовых газотурбинных установок для кратковременного повышения их мощности на специальных режимах работы и компенсации роста температуры окружающего воздуха.

На основе проведенного анализа . существующих, способов форсирования двигателей показано, что наиболее перспективным для • судовых ГГУ представляется фсрсироЕка впрыском воды в тракт высокого давления. Сутью этого метода является уменьшение работы сжатия в компрессоре за счет испарительного охлаждения воздуха. Он

5

характеризуется простотой, надежностью и еысокой эффективностью, не требует больших энергетических и капитальных затрат.

ФорсироЕка ГТД впрыском води имеет существенную специфику. В результате Епрыска еоды возникает двухфазное течение (воздух с каплями еоды) по тракту компрессора двигателя, сопровождающееся мехфазным тепловым и силоеым взаимодействием, дроблением, коагуляцией и испарением капель воды. Кроме того, наблюдается сепарация капель на рабочих лопатках и корпусе компрессора, испарение и срыв пленки жидкости, движущейся по поверхности лопаток. Поэтому применение . испарительного охлаждения для форсировки ГТД требует детального исследования всех процессов, сопровождающих впрыск еоды.

Проведенные до настоящего Еремени исследования данного вопроса в основном базируются на полуэмпирических и экспериментальных методиках.

Современное состояние математического моделирования рассматриваемых процессов позволяет описывать их в более общей постановке, что имеет значительное преимущество по сравнению с существующими полуэмпирическими моделями. А развитие численных методов на данном этапе позволяет их рассчитывать.

В этом же разделе дан обзор численных методов и основных результатов исследований двухфазных, течений в кс.-.лрессорах ГТД. На этом основании, е частности, сделан вывод о целесообразности ипользоЕания е данной работе метода крупных частиц для исследования форсирования судового ГТД впрыском еоды.

Ьо второй главе рассмотрены допущения, принятые для описания течении двухфазных сред с фазовыми переходами ъ компрессорных решетках ГТД. В основании их лежат работы X.Л. Рахматулина, Л.Е.Стер-нииа.Р.К.Нигматулина и др.В результате формулируется общая математическая модель,основные интегральные уравнения которой имеют вид:

- I сШ< где:

'= § X ¿V £ (В!а,Ь) + 0<а"ь>) + § с&С^;

Ь=1 (1)

<«.Ь>

В

О

а, Ь>

<Г

< Ь) + г) ^< л, Ь)

б

с<а> =

удельная полная мегфазный поток скрытая теплота

О "1 ( а, Ы

< а. Ь) .

6 р , 0 = 1 , & Г

6 р?!аЧ [1<Л'Ь)Е(г0+ Г*-1*!,

1» а

где р - фазовая плотность; у - скорость; Е -энергия; р - давление; Г -.межфазная сила; ц -тепла; I - скорость фазового перехода; Ь -парообразования; верхний индекс соответствует аскеру фаз: 1 - газ, 2 - частицы; 3 - водяной пар.

Для замыкания исходной системы уравнений предлагается использовать уравнения газового состояния, мехфазного теплового и силового взаимодействия и скорости фазового перехода.

Учитывая сложность системы уравнений (1), для оценки основных эффектов испарительного охлаждения в первом приближении, была разработана математическая модель специального квазиоднсмерного приближения. Основным допукением его является постоянство параметров потока в любом поперечном сечении рассматриваемого канала.

Расчет разбивается на две итерации. На первой, пренебрегая обратным влиянием жидкой фазы на газовую, параметры газа определяются по газодинамическим функциям, а параметры частиц находятся из решений системы обыкновенных дифференциальных уравнений:

СДСС? а> У* а>) . т (2,2). о

ах 1 '

с!(р' У( " ) . Г ( ». а) . 0

сКр'"Уг' 3 м,.г> _ п ах 1 "

си О У С ) _< 1, I> _ л

_ ц - у,

р<:1,= Ск-13 р< *>£<" = 0.

(2)

где с - внутренняя энергия; к - показатель адиабаты.

На второй итерации вносятся поправки в плотность и внутреннее энергию газа за счет испарения капель воды.

Для учета сепарации капель воды на поверхностях рабочих и направляющи лопаток в уравнения КЕаэиодномерного приближения

7

введен коэффициент сепарации.

Третья глава посвящена разработке . алгоритма численного исследования течения двухфазной среды по тракту газотурбинного двигателя. Рассмотрены вопросы построения расчетных сеток и решения задачи методом крупных частиц и в специальном КОП.

На основе системы интегральных уравнений (1) построена разностная схема МКЧ. Алгоритм расчета одного шага йо времени состоит из двух этапов. На эйлеровом этапе в уравнениях (1) учитывается только члены, содержащие давление. Разностная схема его имеет вид:

у«)п _ А<д)п _ -Л1_ Г^ ¿«.Л (3)

где п - номер временного слоя.

На следующем, лагранжевом этапе, учитываются все остальные члены. Его разностная схема имеет вид:

• А1*"" = Х("(п - 7—Г /ЙУ Е Г В<а,ь,п + 0<**ь>п 1 +

ф [<Я ?*>") Я»»^ . . (4)

В специальном КОП параметры газа, на первой итерашш определяются решением трансцендентного уравнения для . числа Маха методом последовательных приближений, а параметры частиц решением уравнений (2) методом Рунге-Кутта.

Разработанные алгоритмы реализованы в трехуровневом комплексе программ.

Для подтверждения адекватности ' разработанной методики проведены сопоставления результатов расчета с помощью разработанного комплекса программ с расчетными и. экспериментальными данными других авторов.

Результаты .расчетов одно- и двухфазных течений в квазиодномерном приближении сравнивались с расчетами через газодинамические функции и численными данными Пирумова и Рослякова. Результаты расчетов двухфазных течений в соплах в двухмерном " приближении сравнивались с данными Васенина и Рычкова (рис.1). 8

Fue. I. Распределение фазовых плотностей я продольны! составляющих скорости по сечении

сопла Лаваля. --- расчет И.М.Васвнкна

л А.Д.Рычкова

К

281 269

257

245 i -л»

0 12 3 4 5

Рис. 2. распределение тееторатур воздуха а капель вода по тракту АХБТ при различных средних диаметрах: I-воздух; 2,3,4,5,6-капла воды при средних диаметрах 20, 100, 150, 200 п .300 мкм соответственно. 9

Результаты расчетов двухфазных течений в канале аэрохолодильной баротрубы (рис.2), проведенных автором"по заказу Арзамасского ОКБ, проверялись экспериментально. Было подтверждено полученное в результате расчетов температурное выравнивание фаз при диаметрах капель воды до 150 мкм.

Сравнение полученных с помощью разработанного комплекса программ распределение параметров газа по ступеням компрессора газотурбинного двигателя НК-12 с экспериментальными данными Самарского ОКБ приведено в таблице 1.

Таблица 1

N Температура [К] Давяение 1МПа]

ступ расчетная эксперимент. расчетное эксперимент.

1 309,8 306 0,1329 0,1270

2 323,8 321 0,1576 0,1479

3 343,6 340 0,1909 0,1847

4 360,8 356 0,2231 0,2155

5 378,9 375 0,2647 0,2598

6 398,6 395 0,3159 0,3150

7 418,1 417. 0,3736 0,3722

8 436,2 435 0,4335 0,4303

9 453,2 452 0,5031 0,5009

10 476,2 475 0,5903 0,5880

И 495,2 499 0,6755 0,6761

12 513,6 515 0,7877 0,7714

13 530,6 533 0,8602 0,8664

14 546,0 549 0,9510 0,9597

Результаты проведенных тестовых расчетов позволяют сделать вывод о целесообразности применения разработанного комплекса программ для исследований двухфазных течений по тракту ГТД и указывают на хорошую точность результатов.

В четвертой главе представлены результаты и анализ численных исследований форсирования газотурбинного двигателя НК-12 впрыском воды в тракт высокого давления. Они включили в себя рассмотрение процессов в отдельных ступенях и по всему тракту двигателя.

Исследование процессов з отдельных компрессорных решетках включило в себя расчеты моно- и полидисперсных течений.- При этом осуществлялось варьирование соотношениями скоростей и температур фаз, диаметром и массовой долей капель, параметрами воздуха и формой мехлопаточного канала. Было получено, что с изменением диаметра распыла и увеличением количества впрыскиваемой воды интенсивность испарительного охлаждения растет. К этому re приводит предварительный подогрев воды на входе в решетки. Разность скоростей воздуха и капель воды и относительная влажность Боздуха слабо влияют на скорость фазового перехода.

Разработанный комплекс программ позволяет с хорошей точностью, по известной функции распределения частиц по размерам, заменять реальный полидисперсный поток на мснодисперсный Срис.3,4).

Расчеты форсирования ГТД НК-12 впрыском воды на Бходе в компрессор показали, что максимальное количество впрыскиваемой воды, при котором ее полное испарение заканчивается в компрессоре двигателя составляет Q% от массового расхода воздуха на номинальном режиме. При этом предварительный подогрев воды на входе не дает существенного увеличения скорости фазового перехода. В результате впрыска происходит уменьшение температуры сжимаемого воздуха Срис.5). Увеличение полезной работы турбины происходит за счет понижения температуры воздуха и появления дополнительного рабочего тела при испарении воды. Первое оказывает большее влияние. Получен график зависимости прироста мощности двигателя на номинальном режиме от количества впрыскиваемой еоды (рис.6).

Особое внимание при анализе форсирования ГТД впрыском воды было уделено оптимизации места и порцнонности впрыска, т.к. именно эти параметры наиболее сильно влияют на эффективность форсировки. Из рисунков 7 и 8 еидно, что наиболее близким к оптимальному является организация впрыска ЗУ. воды от массового расхода воздуха на входе в двигатель, и 2% - в девятую ступень. Впрыск 5V. еоды на входе в двигатель приводит к такому же понижению температуры на

выходе из компрессора (рис.7). Однако суммарная работа,

И

дат

16 12 8 4

О

О 20 40 60 80 100 120 Рис. 3. Кривая распределения частиц по размерам

<£ икы

Т, К

408 407 406 405 404 403 402 401 400 399

_

- — 1 __

ЛА \

1 —\ 2 \4.5

\ \

О 0.020 0.040

Рис. 4. Распределение температур воздуха"в мекло-паточноы канапе рабочей решетки 7-ой сту-пеш двигателя НК-12 без впрыска. воды (I) и при впрыске частиц воды различных сред-шпс диаматров:2- 35мкм,3- 20мкм,4- 23мкм, 5- полцшспорсикЯ поток

Х.ы

0.060

Рис. 5. Распределение температуры воздуха по тракту компрессора ГТД НК-12 при различной массовой доле частиц воды на входе в двигатель

6.80 5.44 4.10

г. 7г

1.36

Рис. 6. Прирост полезной мощностй двигателя НК-12 при впрыске вода на входе в компрессор на номинальном рвкиме работы.

О

Т,к

502 459

416 373 330 О

- 2 1 —А

4

1.2,3,4

N

О 5 ■ 10

Рис. 7. Распределение температуры воздуха по тракту компрессора ГТД НК-12 при сжатии чистого газа (I) и газа с частицами: впрыск 32 вода в 1-ую ступень (2); 3% воды в 1-ув к 2-х % в 9-ую ступень (3); впрыск Бйводы в 1-ую ступень (4)

14

■МО,?

0.1550 0.1500 0.1450 0.1400 0.1350 0.1300

Дж/кг

о

Гас. 8.

1,23 1

¿2.

1

N

5

10

■ 14

Распределение работы слагая по ступеням компрессора ГТД НК-12 при сжатии чистого газа (I) и газа, с частицами: впрыск 5% вода в 1-ую ступень (2) ¡впрыск 2% вода в б 1-ую II 2-х г в 9-ув ступень (3)

затраченная на сжатие в первом случае, оказывается меньше (рис.83.

Выполненные исследования стабилизации мощности двигателя НК-12 (рис.9,10) показали, что каждый процент впрыскиваемой воды позволяет компенсировать прирост температуры наружного воздуха на 4,5 - 4,9 градуса (рис.9). Получен график необходимого количества впрыска для стасилизации мощности ГТД НК-12 на номинальном режиме (рис.10). Применение впрыска, воды позволяет расширить диапазон стабильной работы двигателя НК-12 на- номинальном режиме по температуре наружного воздуха на 10 градусов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В результате разработки математических моделей и алгоритмов расчета динамики течения и теплообмена в тракте компрессоров ГТД создан пакет прикладных программ, позволяющий проводить комплексные исследования указанных течений.

2. Построена достаточно общая математическая модель двухфазного течения по тракту газотурбинного двигателя. Разработана и .зсснована математическая модель в специальном квазиоднсмерном приближении,

3. Разработаны и реализованы алгоритмы расчета двухфазных течений в компрессорных решетках ГТД методом крупных частиц и в специальном КОП. Проведено их тестирование.

4. Выполненные исследования двухфазных течений в отдельных компрессорных решетках показали слабое влияние на интенсивность испарительного охлаждения разности скоростей фаз и относительно:: влажности атмосферного воздуха: Показано, что основными параметрами, определяющими интенсивность испарительного охлаждения, являются дисперсность, массовая доля, температуры капель воды и воздуха.

5. Разработана методика определения эквивалентного диаметра капель воды при замене реального полидисперсного течения по тракту ГТД на монодисперсное.

6. Анализ форсирования ГТД НК-12 впрыском воды на входе в компрессор показал нецелесообразность предварительного подогрева воды. Максимальное количество впрыска, при котором полное испарение заканчивается в компрессоре, составило 6'/. от массового

L*10, Дж/кг

Риз. Э. Изменение работы сжатия, затрачиваемой в компрессоре ГТД НК-12 в зависимости от температуры воздуха на входе в двигатель при различной массовой доле впрыскиваемой воды

Z,%_

5 4 3

г 1

у

о 288

293 298 303 308 313

ТЦ>к

fue. JO. Необходимое количество впрыскиваомой воды в компрессор ГТД НК-12 для поддеркашш .постоянной полосной мощности на валу двигателя при изменешш температуры окружающего воздуха.

расхода воздуха. Впрыск такого количества воды увеличивает модность двигателя на 8'/. по сравнение с номинальной и уменьшает удельный расход топлива на 7 г/квт ч.

7. Наибольшая эффективность форсировки рассмотренного' двигателя достигается при организации впрыска в шестус ступень компрессора. Организация эшелонированного впрыска (3% и 2% еоды в первую и девятую ступени соответственно) позволяет понизить работу сжатия по сравнению с впрыском всей воды на входе в двигатель, или уменьшить расход воды на 0,8% от массового расхода воздуха.

S. 3 результате исследований получен график необходимого количества впрыскиваемой воды для стабилизации мощности двигателя НК-12 в зависимости от повышения температуры наружного воздуха. Форсировка впрыском еоды позволяет расширить диапазон стабильной работы двигателя на номинальном режиме по температуре насужксг-воздуха с 30° до 40°С.

Основные положения диссертации опубликованы в сле^уг::^::-: печатных работах автора:

1. Синицын С.И., Малахов A.B. Автоматизированная система л заготовки данных для расчета методом крупных частиц течек::;! сплошных сред в каналах произвольней образующей. // Проблемы повышения эффективности судсЕых энергетически:: установок: Межвузовский сборник. -Горький: ГНИ, 1988. - С. 82-89.2. Малахов А. В. , Синицын Д. И. Численное исследование двухфазных течений в каналах энергетических установок методом крупных частиц. // IX научная конференция молодых ученых Волго-Вятского региона. Тез. докл. - Горький: ГГУ, 1989. - С. 93.

3. Разработка алгоритмов принципиальных схем судовых энергетических установок: Отчет по НИР // ГПИ; Руководитель Синицын С.И. N ГР 1S00064016. - Горький, 1989. - С.47.

4. Малахов A.B., Соколов И.В., Зимина Т.И. Численное исследование динамики течений и теплообмена в канале аэрохолодильной баро-трубы. // Проблею! автоматизации исследований и проектных решений з судовой энергетике: Межвузовский сборник. Гсський: ГПИ, 1990. -С. 52-58.

5. Синицын Л. И. , Знтюгсз Т. В. , Малахов А. 3. Измерение среднего диаметра частиц в двухфазных потехах баротрубы автоматизирован-

ной компьютерной системой. // Там же. - С. 37-45.

6. Шишкин Д. А. , Косолапов Е. А., Малахов А. В. , Тутин А. И. Расчет теплообменкых процессов в аэрохолодильной трубе. // Измерительная техника. - 1392. -N6. - С. 40-43.

7. Косолапов Е. А., Малахов А. В. , .Химич В. Л. Методика численного исследования двухфазных течений в трактах газотурбинного двигателя. // Повышение эффективности судовых энергетических установок; Межвузовский сборник. - Н.Новгород: НГТУД993. - С.37-48.

8. Химич В.Д., Косолапов Е.А. , Малахов A.B. Численное исследование двухфазного течения по тракту газотурбинного двигателя, форсированного впрыском воды. // XL научно-техническая сессия РАН по проблемам газовых турбин. Тез.докл. Рыбинск, РКБМ, 1993. - с. 38-39.

9. Косолапов Е. А , Малахов А. В. , Мореплавцев А. Г. , Химич В. Л. Исследование двухфазного течения по тракту газотурбинного двигателя методом расщепления по физическим процессам. // НГТУ. Н.Новгород, 1993. - 12С.- Деп. в ЦНИИ "Румб" 29.12.93, N ДР3307.