CC BY
105
2005 НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА № 85
серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов
УДК 621.45.00.112.03.54-225
ПРИНЦИП ВЫБОРА ЧИСЛА ЛЕПЕСТКОВ И ФОРМЫ КАНАЛОВ СМЕСИТЕЛЯ
В.В. МЕДВЕДЕВ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Пивоваровым В.А.
Предложен принцип выбора числа лепестков и формы каналов смесителя ТРДД, реализация которого позволяет определить потребное число лепестков смесителя и обеспечить наиболее равномерное поле температур на выходе из смесительного устройства, что в итоге приводит к улучшению тягово-экономических характеристик двигателя и дает возможность оптимизировать массу его смесительного устройства.
Введение
Одним из путей улучшения топливной эффективности, тяговых и акустических характеристик ТРДД является использование схемы со смешением потоков внутреннего и наружного контуров. Основная цель применения смесителя в ТРДД - использовать смешение потоков наружного и внутреннего контуров как средства повышения тяги двигателя и снижения уровня шума.
Теоретически возможность снижения расхода топлива за счет смешения потоков контуров достаточно велика, чтобы оправдать многочисленные исследования в этой области. Анализ опубликованных работ по теме исследования показывает, что ведущие отечественные и зарубежные фирмы рассматривают ТРДДсм как наиболее перспективные двигатели для следующего поколения летательных аппаратов с высокими удельными характеристиками. При этом в качестве основного типа смесителя рассматривается лепестковый смеситель.
Увеличение числа лепестков [1...7] обеспечивает более быстрое выравнивание параметров в окружном направлении по сравнению с радиальным. Однако слишком большое число лепестков приводит к росту гидравлических потерь и снижению полезного эффекта. Поэтому число лепестков в большинстве реализованных конструкций не превосходит 18, хотя в известных отечественных и зарубежных работах не представлено четкого обоснования выбора числа лепестков в зависимости от параметров двигателя и основных геометрических характеристик камеры смешения.
На рис. 1 представлены схемы профилирования каналов лепестков, использованные в указанных работах. Как видно, исследовались варианты смесителей с постоянной шириной каналов как наружного, так и внутреннего контура, а также ряд других возможных способов профилирования, что, в целом, также говорит об отсутствии единых общепринятых и обоснованных критериев профилирования каналов смесителя.
1. Принцип выбора числа лепестков смесителя ТРДД
Исследованные в различных работах формы проточной части каналов смесителей, показанные на рис. 1, не позволяют в условиях реальных конструкций обеспечить радиальное выравнивание температур даже в пределах высоты лепестка Исм по причине рассогласования расходов через элементарные площадки й¥\ и ёГ2 на произвольном радиусе г, (рис. 2). Дело в том, что элементарные расходы по каналам смесителя на каждом радиусе должны быть такими, чтобы в результате смешения была обеспечена температура смеси Т см . Если на произвольном г, это условие нарушено, то даже в случае окружного выравнивания параметров потока в пределах камеры смешения радиальная неравномерность температуры будет иметь место: на тех ра-
диусах, где й0\>й02 температура будет выше Т*см и наоборот. А для ликвидации радиальной неравномерности температуры необходимо увеличивать число калибров камеры смешения, причем это число будет определяться уже высотой лепестка Исм, а не величиной его ширины ¿мах, которая, будучи в несколько раз меньше Нсм, обеспечивает достаточное число калибров (1к см/^мах^8.. .10) для ликвидации окружной неравномерности на заданном г .
В качестве примера на рис. 3 представлены поля избыточных относительных температур
Рис. 1. Варианты профилировки смесителей, исследованных в различных работах
Рис. 2. К выводу уравнения постоянства температуры смеси по радиусу
Рис. 3. Поля температуры на срезе сопел ТРДД А - Е3; О - НК-86; □ - НК-56
на срезе сопел двигателей НК-86, НК-56 и Е3 . Теоретически величина Т* может изменяться от 0 до 1,0. Но поскольку в результате полного смешения необходимо получить температуру Т см, —* *
то значения Т ниже значений, соответствующих Т см, будут свидетельствовать об избытке воздуха на данном радиусе и наоборот. Значение Т см, соответствующее Т см, можно найти, ес** ли вместо текущего значения Т в числителе подставить Т см. Для удобства используем средне-
*
массовое значение Т см:
Т * т * и + т
см н л ,
1 + т
Тогда после преобразований получается простая формула:
1
Т * _
1 + т
Значения Т см, рассчитанные по последней формуле, являются несколько заниженными по сравнению со значениями, рассчитанными с учетом переменной теплоемкости. Тем более, участки полей избыточных относительных температур с Т < Т см будут свидетельствовать об избытке доли потока наружного контура. Для двигателей НК-86, НК-56 и Е3 величина Т*см принимает соответственно значения 0,46; 0,182; 0,133. Таким образом (см. рис. 3), смеситель двигателя Е3 подает слишком много воздуха наружного контура в центральную область камеры сме-
шения. Аналогичное заключение можно сделать и в отношении смесителя двигателя НК-86. А вот смеситель двигателя НК-56 подает в центральную область камеры смешения как раз необходимое количество воздуха наружного контура, но не обеспечивает достаточного понижения температуры газа внутреннего контура на больших радиусах. Последнее замечание относится и
3
к смесителям двигателей НК-86 и Е . У двигателя ПС-90А (см. рис. 4) в нижней части смесителя ширина карманов более чем в два раза меньше ширины лепестков, что, напротив, приводит в этой зоне к повышенным значениям Т ( Т > Т см). В итоге для всех рассмотренных смесителей можно констатировать нарушение баланса расходов воздуха и газа на заданном гг, который
—* —*
обеспечивал бы значения Т , близкие к Т см .
Рис. 4. Смеситель двигателя ПС-90А (вид со стороны сопла)
При рассмотрении задачи проектирования смесительных устройств ТРДДсм целесообразно сформулировать некоторые принципы, облегчающие нахождение оптимального решения. В ка-
*
честве одного из таких принципов рассмотрим условие обеспечения постоянства Т см по радиусу в пределах высоты лепестка ксм , что может быть реализовано в современных ТРДД за счет подбора ¿мах (выбора числа лепестков). Расчетная схема показана на рис. 2. Для удобства не будем учитывать различие теплоемкостей потоков в контурах. В этом случае Тсм определяется как среднемассовая. В детальных расчетах это различие может быть легко учтено, но в данном случае принципиального значения не имеет.
Для элементарных площадей dF1 и dF2 на произвольном гг запишем уравнение сохранения энергии:
Т* dGl + Т 2 dG1 = Т+ dG1).
Поскольку dF1=yвн гг dгi , а dF2=yн гг dгi , то после преобразований получим формулу:
гвн = —т Р’Ч (л)гн , (1)
т
где на срезе смесителя д(1)=д(12)/д(11) - отношение газодинамических функций; р - от**
ношение полных давлений; 0=Т 1/Т 2 - отношение температур торможения потоков в контурах; т - отношение коэффициентов в уравнениях расхода. Для &2»1,4 и к1»1,33 величина т»1,02.
Выражение (1) показывает, что обеспечение постоянства Тсм по радиусу требует определенного соотношения между увн и ун . Из (1) также можно определить потребное число лепестков 7 для двигателей с различными значениями т , соотношением параметров на входе в камеру смешения и ее длиной. Как известно из теории эжекторов [8], число калибров камеры смешения, необходимое для выравнивания параметров потока, составляет 8...10. В камере смешения ТРДД данное число калибров для выравнивания параметров в окружном направле-
нии может быть обеспечено за счет выбора ¿тах (числа лепестков). При этом сужение каналов лепестков к центру на пониженных г і увеличивает число калибров пути смешения, а интенсификации процесса смешения способствует наличие радиальных составляющих скоростей противоположного направления в каналах смесителя (см. рис. 5), которые на каждом гі создают пару сил, формирующих вихревые жгуты.
Рис. 5. Визуализация течения на стенках каналов смесителя двигателя ПС-90А
Поскольку 1ксмЛтах>8...10, а с другой стороны, тх»Гтах утах, то с помощью (1) может быть определен другой угол у , и далее оценено число лепестков г, т.к. z=360/(yвн + ун). При этом ^тах может относиться как к внутреннему, так и к наружному контуру. Предварительная оценка соотношения между увн и ун также может быть выполнена с помощью (1), т.к. для заданного ТРДД параметры т, р , д(1) известны.
— —* — л
Для современных ТРДДсм произведение т р д(А)»1,0 и формула (1) упрощается:
л/и
гвн =---гн . (2)
т
Освоенные значения 0=2,2...3,0, откуда 0°’5=1,5...1,7, т.е. изменяется незначительно. Поэтому, если т>1,5...1,7, то увн должно быть меньше ун . В частности, для ТРДД с т=5,0 получается увн»(0,3 .0,4)ун , а для двигателя с т=1,0 увн»(1,5 .1,7)ун.
Для оценки потребного числа лепестков рассмотрим упрощенную схему камеры смешения, в которой высота смесителя Исм равна высоте канала смешения Н=гтах, т.е. использован смеситель с полным перекрытием лепестками канала смешения. Пусть для камеры смешения с т=5,0 число калибров в окружном направлении а=1к см/^тах и в радиальном 1к см=4 см/гтах. Рассматривая совместно выражения для а, 1к см, а также условие ¿тах»гтах утах, находим:
21
г _ к см 1 н *
а
Подставляя в последнее выражение характерные значения 1к см=1,0, а=10, получаем ун»12°, увн»0,4ун»5°, увн + ун»18° , г=360/18=20. Таким образом, для ТРДДсм с т=5,0 и относительной длиной камеры смешения в один калибр число лепестков смесителя должно быть порядка 20. Увеличение 1к см до 1,5 калибров при прочих равных условиях понижает число лепестков до 15. Отметим, что смесители отечественных двигателей со смешением Д-30, Д-30КП имеют г=16, а у двигателей НК-8, НК-86 г=18, т.е. у этих двигателей, имеющих 1к см~1,5, потребное число лепестков завышено, а профилирование проточной части их каналов не обеспечивает постоянства температуры по радиусу, т.е. снижает возможный выигрыш в тяге как от смешения, так и от повышенных гидравлических потерь из-за увеличенной сверх достаточной поверхности трения смесителя.
2. Заключение
Приведенный пример наглядно иллюстрирует взаимосвязь между основными геометрическими характеристиками камеры смешения и смесителя. Это необходимо учитывать при проектировании и испытаниях смесительных устройств ТРДД, а если и произведение m р q(l) заметно отличается от 1,0, то и оно должно быть принято во внимание. В экспериментальных исследованиях произвольное варьирование рассмотренных геометрических и режимных параметров, по нашему мнению, будет сопровождаться неоправданным увеличением прямых затрат.
Таким образом, принцип обеспечения постоянства Т см по радиусу в рассмотренной постановке и с учетом гидравлических потерь в элементах смесительного устройства позволяет решить задачу повышения топливной эффективности (и конкурентоспособности) существующих двигателей в процессе их модернизации, а для перспективных ТРДДсм - получить возможно высокий уровень экономических характеристик при одновременной оптимизации массы смесительного устройства.
ЛИТЕРАТУРА
1. Агеев А.Б., Мамаев Б.И. Учет неравномерности теплофизических параметров потоков в оценке эффективности смесительного устройства и пути ее повышения.// В сб.: Проектирование и доводка авиационных газотурбинных двигателей. Куйбышев. КуАИ, 1986.
2. Трембач Вас.М., Трембач Вл.М. Экспериментальное исследование распределения статического давления в цилиндрической и конической камере смешения ТРДД при изменении условий на входе// Научно-методические материалы по процессам и характеристикам авиационных двигателей. ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 1980.
3. Голубцова Л. Г. Экспериментальное исследование процессов перемешивания на начальном участке за модельным смесительным устройством ТРДД// Технический отчёт ЦИАМ, №8413, 1977.
4. Голубцова Л. Г., Крашенинников С. Ю., Портнов А. Д. Сравнительные характеристики модельных смесительных устройств ТРДД при вариации их конструктивных параметров// Технический отчёт ЦИАМ, №8887, 1979.
5. Kuchar A. P., Chamberlin R. Scale model performance test investigation of exhaust system mixers for on energy efficient engine( E3) propulsion system. AIAA Paper, №0229, 1980.
6. Sokhey J.S. Experimental perfomance evaluation of ventilated mixers-a new mixer concept for high-bypass turbofan engines. I. Aircraft, vol.21, №8, 1984, pp. 567-575.
7. Васильев В.И., Крашенинников С.Ю., Портнов А.Д. Влияние геометрических параметров лепестковых смесителей на полноту смешения/ В кн: Струйные течения жидкостей и газов. Ч.1. Тезисы всесоюзной научной конференции (2-5 июля 1982г.) Новополоцк, 1982.
8. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика.- М.: Наука, 1976.
THE PRINCIPLE OF LOBE NUMBER ESTIMATING AND LOBE MIXER DUCTS PROFILING FOR
BYPASS AVIATION ENGINES
Medvedev V.V.
In this research paper have been investigated the influence of the form and the number of lobes for the purposes of optimizing of mixture process in the turbo-fan and turbo-fan with afterburning combusting chamber gas-turbine engines.
Сведения об авторе
Медведев Владимир Владимирович, 1958 г.р., окончил Рижский Краснознаменный институт инженеров гражданской авиации (1981), кандидат технических наук, старший научный сотрудник ЦИАМ, доцент кафедры двигателей летательных аппаратов МГТУ ГА, автор более 40 научных работ, область научных интересов - авиационное двигателестроение.
