Аэрокосмическая техника высокие технологии и инновации – 2014

жидкости использовалась вода с перепадами 0,1 атм. и 10 атм. при постоянном перепаде воздуха 300 мм водного столба.

Экспериментальные исследования исходного варианта форсунки показали недостаточно хорошее распыливание жидкости базовым вариантом форсунки: визуально наблюдалась струйность (выделенные направления потока жидкости), наличие существенной окружной неравномерности скорости потока, а также ухудшение качества аэрозоля при повышении давления жидкости.

С целью выявления причин неудовлетворительного распыла и определения критериев, определяющих его качество, были проведены трехмерные численные расчеты двухфазного течения в коммерческом пакете Ansys.

Для определения характеристик газовой динамики использовалось решение осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье–Стокса методом контрольных объемов. Применялась неявная схема со вторым порядком аппроксимации по пространству и первым порядком по времени. Система уравнений Рейнольдса замыкалась с помощью

SST (Shear Stress Transport) модели Ментера [4]. Для описания тече-

ния жидкости выбрана VOF-модель (Volume of Fluid). Выбор модели VOF обусловлен хорошими результатами, полученными рядом авторов при определении положения распада жидкой пленки с использованием данной модели [5], а также простотой ее реализации.

Расчетная модель форсунки содержала канал наружного воздушного завихрителя и канал внутреннего воздушного завихрителя вместе с каналом подачи топлива форсунки, а также пространство, в которое истекает двухфазный поток. Расчеты выполнялись на неструктурированной тетраэдрической сетке, построенной с помощью алгоритма Делоне, состоящей из 32 млн элементов.

В качестве граничных условий на входе в канал наружного завихрителя был задан профиль скорости и параметры турбулентности. Данные были получены на интерфейсах в расчетах отсека для продувки форсунок в полной постановке. Для расчета использовались те же режимы, что и в эксперименте.

171

Из результатов двухфазного численного моделирования с использованием VOF видно, что идет формирование по крайней мере четырех основных струй – областей значительной объемной доли распыливаемой жидкости в воздушном потоке (рис. 2). Вероятной причиной эффекта струйности является неравномерное поле скорости воздуха в центральном канале форсунки, при этом направления движения капель совпадают с четырьмя областями дефицита скорости, вызванного наличием четырехлопастного центрального завихрителя. Также из результатов расчета видно, что взаимное положение распыливающей кромки и основного воздушного потока из центрального канала не обеспечивает достаточный обдув жидкой топливной пленки.

а

бв

Рис. 2. Поле объемной доли жидкости в продольном сечении (а); изоповерхность объемной доли воды 0,025 (б); объемная доля воды в мидилевом сечении сопла форсунки (в)

172

Распределение объемной доли жидкости в исследуемой форсунке имеет эллиптическую форму. Аналогичная форма факела также наблюдалась при испытаниях форсунки без воздуха, что явно говорит о связи этого эффекта с наличием двух тангенциальных каналов подвода топлива в распылителе.

Исходя из результатов расчета и эксперимента требуется модификацияконструкции. Вкачестве основных мероприятиявыступали:

–снижение степени окружной неравномерности воздушного потока в сечении выходной кромки распыливающего устройства за счет смещения внутреннего завихрителя в сторону входной кромки внутреннего канала;

–увеличение скорости воздуха на выходе из центрального канала за счет уменьшения диаметра выходного отверстия.

Выполнены предварительные аэродинамические расчеты (рис. 3, 4), которые показали, что по сравнению с исходным вариантом у модифицированного более равномерный профиль скорости в сечении кромки распылителя. Для сравнения на рис. 3 показано распределение приведенного отклонения осевой скорости согласно следующей формуле:

U U Ucp 100 %,

Ucp

где Uср – осевая скорость, осредненная в окружном направлении.

а

Рис. 3. Конструктивныйобликфорсунокисоответствующее распределение приведенного отклонения осевой скорости.

Исходный (а) и модифицированный (б) варианты

173

б

Рис. 3. Окончание

а

б

Рис. 4. Окружное распределение осевой скорости на 60 мкм (а) и 120 мкм (б) в сторону оси от кромки распылителя

174

Изготовленная модификация конструкции форсунки (см. рис. 3) должна была продемонстрировать меньшую струйность в силу большей равномерности потока, а также за счет уменьшения струйности снизить долю крупных капель в потоке. Это предположение было полностью подтверждено при последующем экспериментальном исследовании.

Таким образом, разработаны критерии сравнения эффективности обдува пленки жидкости воздушным потоком на качество распыливания:

–средняя по окружности величина осевой скорости – параметр, влияющий на интенсивность распыливания;

–максимальное относительное отклонение от средней величины осевой скорости – параметр, влияющий на равномерность распределения капель в окружном направлении.

VOF-подход можно использовать для описания таких эффектов, как струйность и неравномерность потока капель в окружном направлении. Для более глубокого понимания этих эффектов требуется дополнительное моделирование двухфазного течения в представленной модификации форсунки.

Опираясь на разработанные критерии качества распыла, используя отработанные технологии численного моделирования в сочетании с экспериментальными данными, можно осуществлять проектирование новых и производить модификации существующих пневматических форсунок, обеспечивающих оптимальные характеристики распыла.

Список литературы

1.Arthur H. Lefebvre and DilipR. Ballal, Gas Turbine Combustion. Alternative Fuelsand Emission. Third edition. – CRC Press, 2010.

2.Применение полевых методов измерений для исследования двухфазных потоков / В.Г. Баталов, И.В. Колесниченко, Р.А. Степанов, А.Н. Сухановский // Вестн. Перм. ун-та. Математика. Механика. Информатика. – 2011. – Вып. 5 (9). – С. 21–25.

175

3.Баталов В.Г., Колесниченко И.В., Сухановский А.Н. Измерение размеров частиц в факеле форсунки методом IPI // Неравновесные процессы в сплошных средах: материалы всерос. конф. молодых ученых (с междунар. участием), г. Пермь, 26–27 ноября 2010 г. –

Пермь, 2010. – С. 27–30.

4.Menter F.R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications // AIAA J. – 1994. – Vol. 32. – No. 8. – P. 1598–1605.

5.Movassat M., Maftoon N., Dolatabadi A. A three-dimensional numerical study of the breakup length of liquid sheets // ILASS Americas, 21th Annual Conference on Liquid Atomization and Spray Systems, Orlando, Florida, May 18–21, 2008. – 8 p. – URL: http:// www.ilass.org/recent/conferencepapers/Paper%20T2-A-2.pdf.

ОЦЕНКА РАДИАЛЬНЫХ ЗАЗОРОВ ТВД М.А. Снитко, С.В. Бажин

ОАО «Авиадвигатель», Пермь, Россия e-mail: snitkom@avid.ru.com

Предложена методика оценки радиального зазора по результатам измерений температуры корпусов. Методика основана на измерении температуры металла корпусов в контрольных сечениях над рабочими лопатками при включении системы активного регулирования зазоров и последующего пересчета в тепловые перемещения. Проведено сравнение результатов расчетов радиального зазора с результатами прямого измерения емкостной системой. Предложено дальнейшее применение данной методики для построения системы активного управления радиальным зазором, работающейнаматематическоймоделирадиального зазора.

Зазоры между ротором и статором оказывают существенное влияние на основные параметры газотурбинных двигателей (ГТД), такие как экономичность и ресурс. Это связано с утечками рабочего тела через зазоры. В наибольшей степени на параметры двигателя влияют радиальные зазоры (РЗ) между торцами рабочих лопаток

176

(РЛ) и статорной поверхностью газовоздушного тракта. Увеличение относительного РЗ на 1 % приводит к снижению к.п.д. двигателя примерно на 3 % и перерасходу топлива почти на 10 %1. Это связано с перетеканием рабочего тела и формированием вторичных течений в зазоре. Все гражданские двигатели сегодня имеют системы активного управления радиальным зазором (САУРЗ), которые позволяют снизить РЗ и тем самым повысить экономичность двигателя. Данные системы работают по принципу управляемого охлаждения корпусных деталей. Для оценки эффективности САУРЗ необходимо знать, когда и насколько изменился РЗ и к.п.д. Для этого можно воспользоваться математическим моделированием, однако изменение РЗ зависит от комплекса параметров: режим работы двигателя; режим работы системы обдува корпусов; организация систем охлаждения ротора и статора, предшествующая наработка и износ деталей [1]. В данном случае математическая модель будет достаточно объемной. Более того для моделирования систем охлаждения ротора и статора необходима верификация моделей, что возможно только при проведении эксперимента. Уже на этапе эксперимента возможно оценить степень влиянияСАУРЗ напараметрыдвигателя.

Для оценки влияния САУРЗ на параметры двигателя (на примере турбины высокого давления (ТВД)) необходимо знать, как изменился РЗ в процессе охлаждения корпусов. Данную информацию можно получить либо прямым измерением РЗ, либо измерением температуры корпусов и последующим пересчетом в радиальные перемещения. Для оценки эффективности САУРЗ ТВД в процессе испытаний двигателя производят ее включение при установившихся параметрах на прогретом двигателе. Тепловое состояние ротора можно считать неизменным, и, следовательно, изменение радиального зазора по рабочим лопаткам определяется только радиальным перемещением корпуса, определяемым по изменению (снижению) его температуры при включении САУРЗ.

1 Иноземцев А.А., Нихамкин М.А., Сандрацкий В.Л. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. М.: Машино-

строение, 2008. Т. 2. 366 с.

177

Для прямого измерения РЗ существует несколько методов. Механический метод заключается в прямом измерении величины РЗ на холодном или работающем двигателе. В силу своей простоты и высокой точности применяется при сборке практически любого ГТД. Однако данным методом невозможно получить информацию о величине РЗ на переходных режимах в процессе работы двигателя. Емкостной метод основан на применении датчиков, емкость которых изменяется

взависимости от изменения РЗ. Данный метод получил широкое распространение при измерении РЗ. Микроволновый метод заключается

вопределении разности фаз излученного и отраженного от торца рабочей лопатки сигнала. Основное преимущество микроволнового измерения в том, что над торцами РЛ устанавливается только приемоизлучающая антенна. Радиоэлектронная аппаратура, обеспечивающая формирование зондирующих сигналов, прием отраженных сигналов и их обработку размещается на удалении от «горячей» точки. Оптические методы получили широкое распространение при измерении РЗ благодаря очень высокой точности измерения. Однако для измерений РЗ в ТВД оптические методы не подходят. Токовихревой метод основан на изменении параметров катушки – ее активного и индуктивного сопротивления приизменениирадиального зазора.

Помимо выбора метода измерения, необходимо интегрировать датчик без внесения дополнительных погрешностей в результаты измерения, связанные с воздействием высоких температур и давлений. Для измерения РЗ в ТВД наиболее подходящими являются емкостной или микроволновой метод в силу своей устойчивости к воздействию высоких температур. На рис. 1 показана конструкция ТВД и схема размещения датчиков измерения РЗ.

Закрепление датчика с помощью резьбового соединения в секторных деталях непосредственно над РЛ позволило исключить дополнительные ошибки, связанные тепловыми расширениями. Подобное закрепление обеспечивает совпадение измерительной поверхности датчика с одной из поверхностей, формирующих РЗ.

178

Рис. 1. Схема интеграции датчика в конструкцию ТВД:

1 – рабочая лопатка 1-й ступени; 2 – рабочая лопатка 2-й ступени; 3 – корпус ТВД; 4 – датчики измерения РЗ; 5 – секторы

Оценка параметров двигателя (к.п.д.) осуществляется по замерам температуры за турбиной, расхода топлива и тяги. Так, уменьшение расхода топлива и температуры газа за турбиной при поддержании постоянных параметров двигателя однозначно характеризуют увеличение к.п.д. ТВД при включении САУРЗ.

На рис. 2 показаны результаты измерения температуры корпуса, в контрольных сечениях над 1РЛ и 2РЛ ТВД при включении САУРЗ на установившемся режиме. Изменение составило 130 градусов для первой ступени и 50 для второй. Это соответствует изменению РЗ на 0,3 мм для первой и 0,1 мм для второй ступени. Данные результаты подтверждаются прямым измерением РЗ (рис. 3). Изменение РЗ составило 0,2 для первой и 0,1 для второй ступеней. При этом после включения САУРЗувеличение к.п.д. ТВД составило 1,6 %.

Данная методика позволяет определить величину изменения РЗ при оценке САУРЗ на установившемся режиме работы двигателя без применения специальных средств измерения. Недостатком данной методики является то, что она не учитывает тепловые расширения ротора, следовательно, не может применяться на начальных и переходных режимах работы двигателя. Для оптимизации работы САУРЗ на всех режимах работы двигателя необходимо логику САУРЗ построить на математической модели изменения РЗ.

179

а

б

Рис. 2. Температура корпуса ТВД при включении САУРЗ: а – сечение над 1РЛ, б – сечение над 2РЛ

180