CC BY
175
УДК 621.43-224.3
ПОЛЯ ТЕМПЕРАТУР И ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ В КАМЕРАХ СГОРАНИЯ МАЛОРАЗМЕРНЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
© 2007 В. Ю. Абрашкин, П. Е. Юдин Самарский государственный аэрокосмический университет
Рассмотрены особенности формирования полей температуры газа для камер сгорания (КС) малоразмерных газотурбинных двигателей (ГТД). Разработана уточненная модель расчета коэффициента гидравлического сопротивления, представлены результаты по влиянию конструктивных параметров камеры сгорания на неравномерность температурного поля газового потока, предложены рекомендации по проектированию и доводке этого узла в малоразмерных ГТД.
В работе представлены результаты по исследованию аэродинамической структуры течения и гидравлических потерь в камерах сгорания малоразмерных ГТД, а также влияние их конструктивных и режимных параметров на характеристики выходного поля температуры газа.
В качестве объектов испытаний использовались модели и натурные КС ряда отечественных малоразмерных ГТД первого типоразмера [1] следующих конструктивных схем [2]:
- прямоточная, кольцевого типа с подачей воздуха в наружный кольцевой канал (КС двигателя МД-120);
- прямоточная, трубчато-кольцевого типа (КС двигателя МД-45);
- противоточная, кольцевого типа (КС изделия ВД-100). Характерной особенностью указанного изделия являлась тороидальная структура течения в первичной зоне жаровой трубы.
Выше описанные объекты испытаний позволили в имеющемся диапазоне схемных решений современных КС МГТД исследовать влияние конструктивных и режимных параметров на выходные характеристики полей температуры газа.
Если в большинстве существующих полноразмерных КС обтекание жаровой трубы, как правило, «симметричное», то в малоразмерных ГТД - более сложное, что приводит к дополнительным потерям полного давления во внутреннем кольцевом канале и, следовательно, к разнице статических давлений на обечайках жаровой трубы.
Так, например, для КС двигателя МД-120 расход воздуха, поступающего в наружный канал, зависит от приведенной ско -рости потока, в то время как через внутренний смеситель остается практически постоянным. Это объясняется тем, что увеличиваются потери полного давления на поворот потока во внутренний канал, которые составляют от 10 до 40 % общих потерь а к [3].
На рис. 1 приведено влияние раскрытия жаровой трубы (в данном случае за счет
уменьшения площади Енм ) на характеристики КС двигателя МД-120.
При распределении воздуха по смесителям согласно рекомендациям для полноразмерных ГТД [/Рк = 1,30...1,34) камера сгорания характеризуется высоким уровнем неравномерности выходного поля температур
(&^тж »0,35+0,37; »Ц7), наличием нага-
ра на внутренней стенке жаровой трубы и низким уровнем полноты сгорания цГ .
Как показывают исследования [2], минимальному уровню окружной и радиальной
неравномерности 0,22 +0,26; »1,07...1,04)
соответствует область ^0^к = 1,25...1,1 примерно равных расходов через смесители.
Так как наружная обечайка жаровой трубы камер сгорания малоразмерных ГТД «работает» под избыточным перепадом давления, то можно предположить, что любые неравномерности потока на выходе из диффузора прежде всего оказывают влияние
Рис. 1. Влияние раскрытия жаровой трубы на характеристики КС двигателя МД-120
и гидравлические потери в ней определяются одними и теми же относительными геометрическими параметрами (£Р^Ж ГКК/1Г(, Ефр/ЕЕ0) и степенью подогрева газа. Повышение потерь в жаровой трубе путем уменьшения эффективной площади отверстий является инструментом в руках конструктора для обеспечения требуемых характеристик камеры [0^*, втах, пг) [5]. Поэтому еще на стадии эскизного проектирования необходимо иметь интегральные модели, позволяющие с достаточной точностью оценивать потери
полного давления [ Ск или ак).
Проведенные исследования [2] показывают, что известные модели [4, 6] применительно к малоразмерным камерам сгорания рассматриваемых схем дают погрешность в определении коэффициента гидравлических потерь до 50...100 %. Поэтому на основе обобщения и анализа имеющихся экспериментальных данных разработана уточненная модель расчета коэффициента гидравлического сопротивления для геометрически подобных камер сгорания малоразмерных ГТД
именно на характеристики ПТГ в окружном направлении.
В качестве примера приведено влияние
остаточной закрутки потока рост на уровень
О™* (см. рис. 2) для камеры сгорания двигателя МД-120.
Минимальное Значение в^®* = 0,22...0,24
достигается при смещении отверстий смесителя относительно первого ряда на наружной обечайке жаровой трубы на угол р = 13...17 ° от исходной компоновки, что примерно равно рост = 17°. В такой конструкции реализуется шахматное расположение струй первого ряда и наружного смесителя, которое способствует более интенсивному перемешиванию и выравниванию характеристик поля температуры газа в окружном направлении.
Известно [4], что при заданной длине жаровой трубы неравномерность поля температуры газа на выходе из камеры сгорания
-1Т -9Ж о 510' тр.град
Рис. 2. Влияние остаточной закрутки на выходе из компрессора на характеристики выходного поля температуры газа камеры сгорания двигателя МД-120
с расходом воздуха G = G,3...2,5 кг/с:
В
ХК = Х Д + KF
Ґ \2
F
К
mp
+ Хг
где Xд - потери
V w У
на диффузоре; XО - потери на жаровой трубе; Хт - тепловые потери.
XД = Кі • К2
І
2
С • ПД
Kf = f(SFJ Fk ),
Хг = KA
/ F 42
1 К
F^
Тг т *
1 v
-1
m и
К&Т = 26,94 • exp[-1Q12(F / Fk)1
при FK /Рж = G,12...G,3 . Рекомендованные значения К K2, Квт приведены в [2].
Значения Хд, ХО и m определяются по рекомендациям, приведенным в [б].
Поправочный коэффициент КАТ учитывает форму жаровой трубы и неравномерность полей Г* и W* в зависимости от отношения FK /Рж . Для КС МГТД КАт » 8.. .1
( КАТ = 2,2...G,5 - ПКС). Коэффициент КF учитывает схему КС (прямоточная, противо-точная или трубчато-кольцевая). Для камер сгорания двигателя МД-12G
KF = G,58 • exp (G,2 • x+G,1x2 + G,G6x3),
где x = mFO/FK .
Для КС двигателя МД-45 и ВД -1GG KF = 1. На рис. 3 дано сравнение расчетных
и экспериментальных значений Zk . Погрешность определения гидравлических потерь для геометрически подобных КС не превышает ±5,5% .
Для исключения индивидуальных различий жаровых труб испытания проводились на нескольких вариантах исследуемых камер сгорания с многократным дублированием измерений после переборок.
Рис. 3. Зависимость Хк от отношения £Р0/Рк для исследуемых вариантов КС МГТД:
-о- КС двигателя МД-120, -•- КС двигателя МД-45, -х- КС двигателя ВД-100
Проведенные исследования показали, что изменение аэродинамической структуры течения и состава топливно-воздушной смеси в первичной зоне оказывает весьма существенное влияние на неравномерность температурного поля камеры. Благодаря этому появляется реальная возможность воздей-
0mac Ф
и &mac с помощью режима
работы первичной зоны, что можно использовать при доводке и совершенствовании существующих и создании новых камер сгорания.
Одной из причин увеличения уровня неравномерности поля температур на выходе из КС является неодинаковое распределение топлива по форсункам. Подтверждени-
ем этого служит зависимость &
max
Ф
&т
от
начальной неравномерности распределения топлива, полученная в результате обобщения экспериментальных данных (рис. 4), где
КТ = (Яг та* - ЯТ ш^Ят ср. Следует °с°б° °™е-
тить, что радиальная эпюра при изменении КТ в диапазоне от 0,1 до 4 не претерпевает заметных изменений.
Особый интерес для формирования окружной неравномерности КС МГТД представляет область, в которой при небольшом
изменении КТ » 0,2...0,32 уровень 0'т<ах из-
меняется примерно в 2,5 раза &j
0,2.. .0,5.
в:
0,6
0,4
0,2
в:
12
И
о
АРт=сап5Ї \ 3
ШЛ25 -353.ЛШ -3,5... 7,5 Ш.696кПа
□ г/ 1-- Ої,-
р:-
/ 0
Чй^ Ж)/ 0 \0т=СОП5І
Эго
о ■а о р
с 5 а
§> §
во внутреннем, т. к. площадь, которую должен заполнить поток воздуха, гораздо боль______Н ___ВН \
Fкк/Окк » 3...5). При увеличении расхо-
да происходит более полное заполнение наружного кольцевого канала и неравномерность потока уменьшается.
В результате проведенных на первом этапе работ удалось экспериментально установить оптимальную величину и взаимное расположение отверстий для подвода воздуха, поэтому в дальнейших исследованиях использовалась доработанные КС.
С целью выяснения влияния изменения проходных сечений фронтового устройства
(Fфр ), наружного и внутреннего смесителей
---Н ---------Н
Р СМ и Р СМ
на выходное поле температуры
Рис. 4. Влияние начальной неравномерности распределения топлива по форсункам на характеристики выходного поля температуры газа камер МГТД
что, по-видимому, объясняется незавершенностью процесса в зоне горения и догоранием несгоревшей ТВС на струях смесителя. Отмеченное обстоятельство позволяет более обоснованно подходить к выбору допустимого уровня разброса расходных характеристик топливных форсунок. Рекомендуемое значение Кт £ 0,2. Анализ литературных данных показывает, что на характеристики поля температуры газа на выходе из КС значительное влияние оказывает глубина проникновения
струй вторичного воздуха Bp . При этом для
полноразмерных КС Брот » 0,5...0,6.
На рис. 1 показано влияние раскрытия
ГнСм на глубину проникновения БР cp и для КС двигателя МД-120.
При этом оптимальное соотношение
£000К »1,1...1,2, а величина Брср =0,5...0,55. Следует также отметить, что течение в наружном кольцевом канале менее стабильно, чем
и распределение воздуха по кольцевым каналам на одном из вариантов КС проведен комплекс исследований в широком диапазоне изменения их характерных площадей:
¥ФР/Х¥0=0...0,225; Р£/^0=0...0,3; 0^/£0а=0...0,253.
По степени влияния их можно расположить в следующем порядке (см. рис. 5): фронтовое устройство, наружный смеситель, внутренний смеситель. Изменение площади фронтового устройства оказывает наибольшее воздействие на уровень &^ах и практически не влияет на максимальный уровень ра-
в:
ол
0,3
0,2
\ Ґ) /исх =0,2% ТМ23К аМ5 К -0,25
к=/ии кпа
с \\ /
1
1,1
1.2
1,3
Рис. 5. Влияние раскрытия жаровой трубы камеры сгорания двигателя МД-120:
°сНм = ; -0- ОМ = уаг ; -ж- Офр = уаг
диальной неравномерности [2]. Это является прямым следствием незавершенности процесса горения в первичной зоне, в результате чего на струях вторичного воздуха происходит догорание топливо-воздушной смеси, т.е. смеситель формирует выходное ПТГ дожиганием ТВС, не сгоревшей в первичной зоне.
На рис. 6 приведены результаты исследований по влиянию степени «раскрытия» жаровой трубы камеры сгорания (трубчатокольцевого типа) двигателя МД-45.
Видим, что зависимость имеет качественно один и тот же характер протекания, что и для двигателя МД-120 (рис. 5), но отличается градиентом изменения = ? (ро) и уровнем минимальной неравномерности
0шах
р при одном и том же значении
У0 =1,25...1,35 .
При этом
(р) = 0,22...0,23,
' * 'МД-120
(втах) = 0,15...0,1б.
V ^ ! МД-45
С физической точки зрения это объясняется тем, что для трубчато-кольцевой КС двигателя МД-45 легче обеспечить пониженную неравномерность сносящего потока из-за более равномерного обтекания головок жаровой трубы [5].
Так как уровень минимальной окруж -
ной неравномерности наблюдается при равенстве расходов воздуха Онв см и Оввн см , то
одним из направлений обеспечения равномерного поля температур в КС МГТД прямоточной схемы является поиск способов выравнивания расходов через смесители. Как показывают исследования [2], этого можно достичь выравниванием профиля скорости на входе в наружный смеситель путем выбора соответствующего шага между отверстиями первого ряда и смесителя на наружной обечайке ЖТ при неизменной площади отверстий первого ряда.
Таким образом, результаты экспериментальных исследований показали, что при проектировании камер сгорания МГТД для обеспечения требуемых характеристик неравномерности выходного поля температуры газа необходимо согласовать процессы, протекающие в первичной зоне и зоне смешения с конструктивными и режимными параметрами:
- исходя из целевого назначения МГТД, выбрать наиболее рациональную схему камеры сгорания;
- обеспечить минимально возможную неравномерность температурного поля сносящего потока;
- согласовать глубину проникновения струй смесительного воздуха наружной и внутренней обечаек жаровой трубы;
- обеспечить необходимую аэродинамическую структуру течения в кольцевых каналах и жаровой трубе.
Х<\^ •ґ'
І • _ Р;=100..А00 кПа ТМ23..500 К 1=0,18-0,22 ак=3...3,75
• \\\\\\\ % ^ Ж
1 1,2 И 1,6 1,8 2 ^0/Рк
Рис. б. Влияние отношения £ ¥0 / ¥к на характеристики выходного поля температур газа КС двигателя МД-45
С целью получения минимальных зна-
^ ^ /'л max
чении окружной неравномерности Qj температурного поля необходимо:
- учитывать величину остаточной закрутки потока j ост путем смещения отверстий наружного смесителя и первого ряда отверстий на угол ^ещ.от » j ост относительно штатного “коридорного” расположения (а. с. №296080);
- выравнивание расходов воздуха через внутренний и наружный смеситель путем выбора соответствующего шага между отверстиями первого ряда и смесителя на наружной обечайке жаровой трубы (а. с. №293564).
Ядро радиальной эпюры формировать путем изменения площади отверстий наружного смесителя, а на периферии - за счет подачи системы пристенных струй. Также предложены рекомендуемые диапазоны конструктивных и режимных параметров для КС МГТД различных конструктивных схем. Использование разработанных мероприятий для камер сгорания двигателей МД-120, МД-45 и ВД -100 показало их высокую эффективность и позволило в кратчайшие сроки получить требуемые характеристики по неравномерности температурного поля газового потока с учетом потерь полного давления.
Список литературы
1. Пономарев Б. А., Тихонов А. М. Малоразмерные газотурбинные двигатели: Настоящее и будущее // Конверсия в машиностроении. - 1994. - №1. - С. 12-16.
2. Абрашкин В. Ю. Формирование полей температуры газа на выходе из камер сгорания малоразмерных ГТД. Дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. - Самара, 2006. - 152с.
3. Рабочий процесс камер сгорания малоразмерных ГТД, проблемы и некоторые пути повышения его эффективности /Лука-чев В. П., Ланский А. М., Абрашкин В. Ю., Диденко А. А., Зубков П. Г., Ковылов Ю. Л., Матвеев С. Г., Цыганов А. М. Шамбан М. А., Яковлев В. А. // Вестник СГАУ. Сер.: Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей. Вып. 1. - Самара: СГАУ, 1998. - С. 11-39.
4. Полякова М. В. Связь неравномерности поля температуры газа на выходе из кольцевых камер сгорания ГТД с потерями полного давления в них // Труды ЦИАМ. - № 987.
- 1982. - 10 с.
5. Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД. - М.: Мир, 1986. - 566 с.
6. Рудаков О. А., Саркисов А. А., Сали-вон Н. Д. Сигалов Ю. В. Конструкция, теория и расчет камер сгорания ГТД: Учебное пособие, часть 1. - С. Петербург, 1993. -170 с.
TEMPERATURE’S FIELDS AND HYDRAULIC LOSSES IN COMBUSTION CHAMBERS OF SMALL GAS TURBINE ENGINES
© 2007 V. Yu. Abrashkin, P. E. Yudin Samara State Aerospace University
It is shown formation peculiarities of gas temperature fields for combustion chambers of small gas turbine engines. It is described the more sharp calculation model of hydraulic resistance ratio, also in details it is shown the influence of combustion chambers ’ design parameters on gas flow’s temperature fields and it is proposed recommendations for design and production of combustion chambers for small gas turbine engines.
