Некоторые аспекты аэродинамической интерференции в межтурбинных переходных каналах ГТД

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012

УДК 621.438

А. Е. РЕМИЗОВ

Рыбинская государственная авиационная технологическая академия им. П. А. Соловьёва

НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ В МЕЖТУРБИННЫХ ПЕРЕХОДНЫХ КАНАЛАХ ГТД_______________________________________

В статье представлены результаты экспериментального исследования моделей меж-турбинных переходных каналов с различными вариантами установленных в проточной части профилированных стоек и соплового аппарата. Выявлена зависимость аэродинамической интерференции от величины закрутки потока на входе в канал.

Ключевые слова: газовые турбины, переходные каналы, стойки, сопловые аппараты, аэродинамическая интерференция, канальный вихрь.

Отличительной особенностью газотурбинных двигателей пятого и шестого поколений [1, 2] стало значительное усложнение (искривление) формы проточной части. В большинстве двигателей согласование проточных частей каскадов высокого и низкого давления конструктивно осуществляется с помощью межкаскадных переходных каналов. В переходных каналах турбин, компрессоров, в затурбин-ном устройстве ГТД, как правило, устанавливаются дополнительные элементы, выполняющие роль силовых стоек, либо коммуникаций для подвода или отвода масла и воздуха. Эти элементы являются дополнительными источниками потерь и оказывают существенное влияние на структуру течения в канале. На выходе из межтурбинного переходного канала располагается первый сопловой аппарат турбины низкого давления, который вместе с переходным каналом во многом определяет форму меридиональных образующих турбины и условия её работы. При проектировании турбины низкого давления необходимо учитывать взаимодействие всех элементов проточной части, определяющих состояние и структуру потока на входе в турбину: переходного канала, стоек и соплового аппарата.

При испытаниях в натурных условиях в силу ограниченных возможностей штатной системы измерений ГТД делать выводы о структуре течения и причинах изменения газодинамической эффективности переходного канала приходится по косвенным данным, что, естественно, уменьшает ценность эксперимента и достоверность результатов и выводов. Улучшить ситуацию может только прямой эксперимент. С этой целью были проведены независимые продувки профилей силовых стоек и чистого (без стоек) канала, после чего получены результаты продувок канала со стойками, позволившие сделать сравнение различных параметров течения у составляющих канала и в системе канал —стойка. Модели стоек имели несимметричный профиль, координаты которого приведены в табл. 1, а модель переходного канала была выполнена в виде плоской секции из трёх стоек, размещённых в канале с профилированными образующими, координаты которых приве-

дены в табл. 2. Геометрия модели канала соответствовала типичным параметрам реальных межтур-бинных переходников: меридиональная диффузор-ность составляла 1,41 с эквивалентным углом раскрытия стенок 7°. Продувка осуществлялась с числом Рейнольдса, определенным по входным параметрам потока и хорде стойки, равным 2,78'105. Коэффициент внутренних потерь энергии в диффузорном переходном канале

с =

р* _ р* р1 р2 Р1С2 2

определялся по результатам траверсирования потока во входном и выходном сечениях. Потери, осред-ненные по площади выходного сечения переходника в пределах одного шага по стойкам, характеризуются коэффициентом внутренних потерь ^п = 0,2173. Для того чтобы выяснить, какую долю в общий баланс потерь вносят стойки, а какую переходный канал, был продут отдельно канал без стоек и отдельно стойка без канала. Коэффициент внутренних потерь для чистого канала составил ^к = 0,183, а для изолированной стойки в свободном потоке Сст = = 0,01897. Распределение потерь по выходному сечению канала представлено на рис. 1. Нетрудно заметить, что величина коэффициента внутренних потерь в канале со стойками ^п больше суммы ^к + Сст = = 0,2017 на величину 0,0156, сопоставимую с величиной коэффициента профильных потерь стойки ^ст. Эти дополнительные потери можно считать результатом аэродинамической интерференции стойки и канала.

Отмеченные интерференционные явления, по всей видимости, возникают в результате взаимодействия входных вихрей с пограничными слоями на стойках и на участках, ограничивающих канал поверхностей, примыкающих к стойкам. Именно влиянием вторичных вихрей, «снимающих» пограничный слой с ограничивающей поверхности, объясняется минимум потерь в непосредственной близости от стойки (примерно 15 — 20 мм в обе стороны от

Координаты и геометрические параметры профиля стойки

х, мм 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Ус, мм 1,43 3,90 5,22 6,02 6,66 7,07 7,45 7,65 7,66 7,61

Ук, мм -1,37 -3,46 -4,52 -5,12 -5,59 - 5,88 -6,19 -6,35 -6,34 -6,30

х, мм 50 55 60 65 70 75 80 85 90 99

Ус, мм 7,46 7,23 6,91 6,42 5,78 5,08 4,26 3,42 2,53 0,90

Ук, мм -6,19 -6,01 -5,76 -5,36 -4,85 -4,26 -3,58 -2,89 -2,16 -0,85

Рі. град р2, град — % сшх, % Хс , % 1шах, мм Х, %

2,5 0,8 14 37,5 0,7 0,4

Таблица 2

Координаты меридиональных образующих модели канала относительно его средней линии

х, мм 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Упер, мм 11,4 11,5 11,8 12,0 12,2 12,5 12,7 13,0 13,0 13,0

Увт, мм 11,5 11,9 12,3 12,8 13,3 - 13,7 -14,3 -14,9 -15,2 -15,6

х, мм 55 60 65 70 75 80 85 90 96 102

Упер, мм 13,0 13,0 13,0 13,0 13,0 13,0 13,0 13.0 12,6 12,2

Увт, мм -15,9 -16,3 -16,5 -16,8 -17,1 -17,5 -17,8 -18,1 -18,5 -18,8

о 20 40 60 80 юо 120 140 У. мм

Рис. 1. Изменение коэффициента внутренних потерь по выходному сечению переходного канала со стойками

Ь, ММ

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 у

Рис. 2. Изолинии коэффициента внутренних потерь энергии в выходном сечении канала со стойками

выходной кромки стойки), который отчетливо виден на рис. 1.

Ещё одним доказательством определяющей роли вторичных вихрей в интерференционных явлениях, возникающих при течении в диффузорном канале, оснащенном стойками является экспериментально полученное поле изолиний коэффициента внутренних потерь энергии в выходном сечении прямого канала со стойками (рис. 2). Распределение потерь по выходному сечению носит нетрадиционный характер. В области следа стойки наблюдается локальный максимум потерь, расположенный в средних по высоте сечениях канала (естественно, в кольцевом

канале этот локальный максимум потерь сместится ближе к периферийной зоне), причём максимальное значение коэффициента потерь в указанной области составляет £п = 0,62, что почти в три раза превышает уровень средних потерь в переходнике. В закромоч-ном следе стойки минимальные потери сосредоточены у торцевой ограничивающей поверхности, что указывает на перенос из этой области заторможенных пристеночных масс воздуха в центральную часть канала. По мере удаления от стойки распределение потерь по высоте канала принимает традиционный вид с максимальными потерями в пристеночной области и минимальными потерями в ядре потока.

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012

Таблица 3

Профильные потери в решетках модельных стоек, установленных в диффузорном канале

Коэффициент внутренних потерь 6 стоек 12 стоек

С а=12 0,115 0,125

С а = 8 0,093 0,094

С а = 2 0,025 0,066

Таблица 4

Полные потери в диффузорном канале с шестью стойками

Входная закрутка потока а 0 18 27

Коэффициент внутренних потерь С 0,178 0,193 0,204

Таблица 5

Приращение коэффициента внутренних потерь энергии в результате аэродинамической интерференции кольцевого канала и стоек

Закрутка входного потока 0° 10° 18°

При аэродинамической интерференции (абсолютная величина) 0,185 0,066 0,01

При аэродинамической интерференции (относительно потерь в чистом канале) 92,5 % 30 % 0,3 %

Таблица 6

Потери энергии в системе «переходный канал-сопловой аппарат»

№ п/п Параметр Канал со стойками и обтекателями Канал со стойками Чистый канал

1 Коэффициент внутренних потерь в изолированном канале 0,269 0,225 0,205

2 Коэффициент внутренних потерь в изолированном сопловом аппарате 0,148 0,148 0,148

3 Сумма п.1 и п. 2 0,417 0,373 0,353

4 Коэффициент внутренних потерь в системе «канал—сопловой аппарат» 0,910 0,767 0,871

5 Интерференционное приращение коэффициента внутренних потерь 0,493 0,394 0,418

6 Приращение потерь относительно потерь в чистом канале 183% 175% 204%

Такое распределение потерь имеет место в коротких турбинных решётках [3, 4] при условии смыкания зон вторичных течений. Поэтому, рассматривая переходный канал со стойками как решётку прямых профилей малой густоты, можно говорить о возможности смыкания на выходе из канала входных вихрей, образующихся при натекании входного пограничного слоя на передние кромки стоек. Сопоставляя между собой распределение потерь в канале со стойками и без стоек, явно видим (рис. 1) два минимума потерь в непосредственной близости от стойки (примерно 15...20 мм в обе стороны по фронту от выходной кромки стойки, которые также могут быть объяснены наличием в этих областях ветвей входного вихря. Отмеченное распределение потерь в переходнике было получено при наличии входного пограничного слоя с параметрами 8 = 4,5 мм, §* = 0,34 мм, Н =1,399 на периферийной ограничивающей поверхности и с параметрами 8 = 3,8 мм, §* = 0,38 мм, Н =1,416 на втулочной ограничивающей поверхности. Для этих условий расчёт по теоретической [5] и эмпирической [4] зависимостям даёт величину отношения геометрической высоты проточной части

канала Ик к высоте проточной части при которой происходит смыкание зон вторичных вихрей Исм на уровне И к/Ьсм = 0,85. А расчёт для бесконечно тонкого входного пограничного слоя даёт значение И к/Ьсм = = 1,16. Таким образом, в исследованном канале при любом входном пограничном слое в выходном сечении вторичные вихри близки к началу взаимодействия или уже взаимодействуют друг с другом.

Однако следует отметить, что такой анализ может быть не совсем корректен, так как основан на зависимостях для турбинных решёток с достаточно большим углом поворота потока. Но соответствие полей потерь в канале со стойками и в турбинных решётках при наличии зон взаимодействия вторичных вихрей позволяет надеяться на качественно верный вывод о том, что существенным элементом аэродинамики межтурбинного переходника являются интерференционные явления, обусловленные взаимодействием входных вторичных вихрей друг с другом и с пограничными слоями, возникающие при течении в диф-фузорном канале, оснащенном стойками. Вместе с тем, проблемы интерференции требуют проведения дополнительных исследований.

Рис. 3. Изменение коэффициента восстановления полного давления по относительной высоте соплового аппарата

Экспериментальные исследования по оценке профильных потерь кольцевой стоечной решётки проводились на двух вариантах кольцевых решеток, с 6 и 12 силовым стойкам в модели канала. Значение густоты Ь/1 исследуемых решеток на среднем диаметре составляло 1,07 и 2,14 соответственно. Профильные потери в стоечной решетке, установленной в диффузорном канале, характеризовались величиной коэффициента внутренних потерь в среднем по высоте сечении в зависимости от величины входной закрутки потока при различной густоте стоечного узла приведены в табл. 3.

Из сопоставления данных табл. 3 и 4 с изменением профильных потерь стоечной решётки в свободном потоке можно сделать три основных вывода. При установке стоек в диффузорный канал профильные потери и темп их прироста по углу атаки увеличиваются. При увеличении густоты стоечной решётки (числа стоек) абсолютная величина профильных потерь несколько увеличивается, а прирост профильных потерь по углу атаки заметно замедляется. Полные (суммарные) потери энергии потока по углу входной закрутки потока увеличиваются менее интенсивно, чем профильные потери. Поэтому, при широком диапазоне эксплуатационных режимов и соответствующего им диапазона рабочих углов атаки может оказаться предпочтительнее более густая стоечная решётка (табл. 4).

Ещё одним заслуживающим внимания фактом является зарегистрированное в экспериментах с кольцевым переходным каналом уменьшение интерференционного приращения потерь энергии с ростом закрутки потока на входе в канал. Такой вывод вытекает из сопоставления при соответствующих углах входного потока суммы величины потерь на стойках в свободном потоке и величины потерь в чистом канале с потерями энергии в канале со стойками. Результаты такого сопоставления приведены в табл. 5. Следует отметить, что интерференционный прирост потерь в кольцевом канале со стойками при осевом входе потока существенно превышает аналогичный эффект в плоском канале. Зависимость интерференционного приращения потерь от величины угла потока на входе в канал весьма близка к линей-

ной. При входной закрутке потока 18 градусов интерференционный эффект исчезает.

Аэродинамической системе «переходный канал — сопловой аппарат» так же присущ эффект аэродинамической интерференции при котором сумма потерь изолированного канала и изолированного соплового аппарата меньше потерь всей системы «переходный канал —сопловой аппарат» (табл. 6). Причём этот эффект примерно в два раза сильнее аналогичного эффекта системы «переходный канал—силовая стойка» (табл. 5). Это ещё раз подтверждает предположение о том, что существенным элементом аэродинамики межтурбинного переходника являются интерференционные явления, обусловленные взаимодействием вторичных вихрей друг с другом и с пограничными слоями, возникающие при течении в переходном канале, с профилированными элементами (стойками, лопатками) в проточной части. Интенсивность вторичных вихрей увеличивается [3, 4] с ростом толщины пограничного слоя на меридиональной образующей канала и поворотом потока в межлопаточном (межстоечном) канале. Поэтому между интерференционным приростом потерь и увеличением интенсивности вторичных вихрей прослеживается однозначная корреляция.

Расчётная величина коэффициента внутренних потерь энергии в лопаточном венце соплового аппарата была определена в соответствии с алгоритмами [4, 6] как сумма коэффициентов профильных [6] и вторичных [4] потерь и составила ^ = 0,148. Были исследованы три различных варианта компоновок переходного канала. Величины коэффициентов внутренних потерь энергии для этих каналов составили:

— исходный канал с шестью тонкими стойками с относительной толщиной профиля 16 % и тремя толстыми обтекателями с относительной толщиной профиля 28 %: £ = 0,269;

— толстые обтекатели заменены тонкими стойками: £ = 0,225;

— чистый канал без стоек и обтекателей: £ = = 0,205.

Оказалось, что величина потерь энергии собственно в сопловом аппарате (рис. 3), характеризуемая распределением по высоте проточной части И коэф-

.

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012

фициента восстановления полного давления а, связанного с коэффициентом внутренних потерь £ известным соотношением

к о о = 1 -V 2 М2РМ1)

зависит от компоновки переходного канала. Лучшая газодинамическая эффективность соплового аппарата имеет место при его совместной работе с переходным каналом в котором установлены тонкие силовые стойки, а не в случае чистого переходного канала, имеющего самые низкие потери энергии. Это объясняется тем, что стойки оказывают стабилизирующее влияние [7, 8] на пограничный слой на меридиональной образующей переходного канала, что следует рассматривать как одну из составляющих аэродинамической интерференции в переходном канале с лопаточными или стоечными венцами в его проточной части.

В качестве заключения по данной статье следует отметить, что потери переходного канала с лопаточными (стоечными) венцами в проточной части больше суммы потерь чистого канала и профильных потерь лопаточного (стоечного) венца на величину, сопоставимую или превышающую профильные потери. Эти дополнительные потери можно считать результатом аэродинамической интерференции лопаточного венца и канала, в котором он расположен. Отмеченные интерференционные явления, возникают в результате взаимодействия вторичных вихрей с пограничными слоями на профильных поверхностях лопаточных венцов и на участках меридиональных поверхностей, ограничивающих канал и примыкающих к лопаточным венцам. Эффекты внутренней (канальной) аэродинамической интерференции не поддаются современным численным методам расчёта течений, поэтому результаты экспериментальных исследований, изложенные в данной статье, могут представлять интерес как с позиции выявления физической природы процесса генерации потерь в проточной части турбины, так и с позиции верификации численных методов аэродинамики.

Библиографический список

1. Скибин, В. А. Работы ведущих авиадвигателестроительных компаний в обеспечении создания перспективных авиаци-

онных двигателей (аналитический обзор) [Текст] / В. А Скибин ; под общ. ред. В. А. Скибина и В. И. Солонина. — М. : ЦИАМ, 2010. - 676 с.

2. Ремизов, А. Е. Формирование облика проточной части

базового ТРДД семейства на ранней стадии проектирования [Текст] : учеб. пособие / А. Е. Ремизов, В. А. Пономарев. —

Рыбинск : РГАТА, 2008. — 172 с.

3. Ремизов, А. Е. Экспериментальное исследование турбинных решеток при доминирующем влиянии вторичных течений с целью усовершенствования методов аэродинамического проектирования энергонапряженных газотурбинных двигателей [Текст] : дис. ... канд. тех. наук ; 05.07.05 / А. Е. Ремизов. — Рыбинск : РАТИ, 1994. — 254 с.

4. Богомолов, Е. Н. Гидродинамика вторичных течений в турбомашинах : учеб. пособие. В 2 ч. Ч. 1. Возникновение и свойства вторичных течений. [Текст] / Е. Н. Богомолов. — Рыбинск : РГАТА, 1998. — 78 с.

5. Дейч, М. Е. Основы аэродинамики осевых турбомашин [Текст] / М. Е. Дейч, Г. С. Самойлович. — М. : Машгиз, 1959. — 428 с.

6. Локай, В. И. Газовые турбины двигателей летательных аппаратов [ Текст] / В. И. Локай, М. К. Максутова, В. А. Струн-кин. — М. : Машиностроение, 1991. — 511 с.

7. Ремизов, А. Е. Оценка потерь полного давления в элементах установки для исследования аэродинамической эффективности переходных каналов со стойками при наличии входной закрутки потока [Текст] / А. Е. Ремизов, И. В. Поляков // Теплофизика технологических процессов : матер. науч.-техн. конф. — Рыбинск : РГАТА, 2005. — С. 202 — 204.

8. Сэноо. Оптимальная конфигурация опоры в кольцевых диффузорах с изменяемой закруткой потока на входе [Текст] / Сэноо, Кавагути, Кодзима, Ниси // Теоретические основы инженерных расчетов : тр. амер. общества инженеров-меха-ников. ; перевод с английского. Т. 103. — М. : Мир, 1981. — № 2. — С. 236 — 240.

РЕМИЗОВ Александр Евгеньевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), заместитель заведующего кафедрой «Авиационные двигатели».

Адрес для переписки: 152934, Ярославская обл., г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53.

Статья поступила в редакцию 30.09.2011 г.

© А. Е. Ремизов

Книжная полка

Метрологическое обеспечение измерений и стандартизация нормирования точности размеров : учеб. пособие для вузов по специальности 210201 «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» направления 210200 «Проектирование и технология электронных средств» / С. М. Ломов [и др.]; ОмГТУ. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2011. - 157 с. - ISBN 978-5-8149-1045-5.

Рассмотрены вопросы метрологического обеспечения измерений на базе стандартизации нормирования точности геометрических размеров. Представлены теоретические положения метрологии и технических измерений. Даны материалы для расчета погрешностей измерений при разработке информационных программ обеспечения качества продукции машиностроения и приборостроения.