Экспериментальный метод совершенствования характеристик переходного диффузора с расположенной за ним турбиной ГТД

УДК 621.452.3

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ МЕТОД СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕРЕХОДНОГО ДИФФУЗОРА С РАСПОЛОЖЕННОЙ ЗА НИМ ТУРБИНОЙ ГТД

Е.В. Осипов, И. А. Кривошеев

Представлен разработанный экспериментальный метод совершенствования характеристик наклонного переходного диффузора совместно с примыкающей к нему на выходе турбиной ГТД. Исследованы влияние формы обводов наклонного переходного диффузора, различная комбинация стоек и обтекателей в проточной части на аэродинамические характеристики СА турбины вместе с диффузором и отдельно диффузора. Исследовано влияние обводов, стоек в проточной части на спрямление потока в переходном диффузоре

Ключевые слова: переходной диффузор, препарирование, аэродинамические характеристики

ВВЕДЕНИЕ

Для создания высокоэкономичных авиационных двигателей и снижения их массы необходимо оптимизировать параметры (в т.ч. геометрические) их элементов и узлов. Анализ конструкции современных ГТД показывает, что во многих двигателях (особенно с большой степенью двухконтурности) между турбинами (ТВД и турбиной вентилятора) используется наклонный межтурбинный переходной диффузор, соединяющий турбины на разных диаметрах [1]. Такой диффузор оказывает большое влияние на характеристики расположенной за ним турбины (в ТРДД это обычно турбина вентилятора (ТВ)), что влияет на экономические и эксплуатационные показатели ГТД. Требование уменьшения массы ГТД приводит к необходимости сокращения его длины. В этом случае проектные средние диаметры турбин сохраняются, а наклон переходного диффузора увеличивается, что ухудшает газодинамические характеристики примыкающей на выходе турбины и самого диффузора [2].

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

В настоящее время накоплено достаточно много знаний, связанных с течением газа в элементах ГТД, изучены явления отрыва потока, поведение отрывных и безотрывных нестационарных пограничных слоёв [3-5] и др., что позволило разработать ряд методов расчёта диффузоров, например, [6-8]. При этом достигнута высокая точность совпадения результатов расчёта с экспериментом.

Вместе с тем, расчёт межтурбинного наклонного переходного диффузора в ГТД с расположенными внутри силовыми стойками и обтекателями коммуникаций, с закруткой потока на входе требует совершенствования. Такой расчет невозможен по одномерным методикам и вызывает сложности в получении близкого решения к физическому эксперименту в трёхмерных расчётах. Поэтому на

Осипов Евгений Владимирович - УГАТУ, соискатель, e-mail: evgeny.osipov@mail.ru

Кривошеев Игорь Александрович - УГАТУ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: krivosh@sci.ugatu.ac.ru

сегодняшний день для определения аэродинамических характеристик и для изучения структуры течения газового потока в аналогичных конструкциях используются экспериментальные исследования [9,10].

На сегодняшний день достаточно хорошо изучены проблемы течения газа в переходных диффузорах, в том числе разработаны методы оптимального профилирования его обводов, позволяющие создавать диффузор с минимальными потерями энергии. Однако, в большинстве случаев физические явления, протекающие в наклонном переходном диффузоре, изучены обособленно, без учета примыкающей к нему на выходе турбины, в то время как наклонный переходной диффузор оказывает влияние на турбину, а турбина создает подпор потока и оказывает влияние на характеристики переходного диффузора. В связи с этим, актуальным является изучение влияния формы обводов наклонного переходного диффузора на газодинамические характеристики расположенной за ним турбины и на характеристики самого диффузора. Внутри переходного диффузора часто размещаются силовые стойки и обтекатели труб подвода-отвода масла и воздуха, которые оказывают влияние на его газодинамические характеристики и примыкающую ТВ. Изучение данного вопроса становится еще более актуальным, в связи с наличием практически во всех современных ГТД не осевого выхода потока из высоконагру-женной турбины и, в результате, наличия закрутки потока на входе в диффузор.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ МЕТОД СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК НАКЛОННОГО

ПЕРЕХОДНОГО ДИФФУЗОРА С РАСПОЛОЖЕННОЙ ЗА НИМ ТУРБИНОЙ ГТД

Экспериментальные исследования выполнены одним из авторов (Осипов Е.В.) в НПКГ «Машпро-ект» на аэродинамическом стенде для исследований аэродинамических характеристик модельных и натурных сборочных единиц ГТД. При исследованиях была использована типичная при проектировании и доводке ГТД постановка задачи, когда диаметральные и осевые размеры на входе и выходе из исследуемого участка проточной части являются фиксированными, изменяется форма и геометрические

размеры рассматриваемого элемента. Для испытаний в качестве источника сжатого воздуха использована стендовая турбовоздуходувка ТВ-175-1,6. Турбовоздуходувка обеспечивает номинальный режим работы объекта исследований, спроектированного с коэффициентом моделирования Кь=4,2. При этом массовый расход воздуха через модель на различных режимах составил 1,9^3,1 кг/с. Такие характеристики стенда позволили проводить исследования при максимальной скорости на входе в исследуемый канал переходного диффузора с СА до 140 м/с, что соответствует приведенной скорости Л = 0,376.

Для решения задач исследований была разработана модель межтурбинного переходного диффузора вместе с СА ТВ (рис. 1), состоящая из входного

Рис. 1. Модель межтурбинного переходного диффузора вместе с СА ТВ устройства (1), наружного и внутреннего обводов переходного диффузора (2), образованных четырьмя варьируемыми проставками (участки 1-4), и выходного участка (3). На выходе из переходного диффузора в выходном участке установлен смоделированный СА ТВ (7), на входе - аппарат закрутки потока (6), внутри расположены 6 силовых стоек (4) и 3 обтекателя коммуникаций (5).

Экспериментальная установка межтурбинного переходного диффузора с СА ТВ на аэродинамическом стенде показана на рис. 2.

Рис. 2. Экспериментальная установка межтурбинно-го переходного диффузора с СА ТВ на аэродинамическом стенде

На рис. 3 представлены схемы исследованных вариантов переходного диффузора с СА ТВ.

Вариант 1

Вариант 30 Вариант 4

Рис. 3. Схемы исследованных вариантов переходного диффузора с СА ТВ

Исследуемый межтурбинный наклонный переходной диффузор имеет следующие характеристики: степень диффузорности ¥вых / ¥вх = 2,1, относительную длину Ьд / Бнар = 1,1, угол раскрытия эквивалентного диффузора аЭ = 29° , угол потока на входе а = 20° (от оси ГТД). В исследованиях проведены измерения полного давления на входе, выходе из диффузора и за СА, углы потока на входе и выходе из диффузора.

Измерение полного давления на входе в переходной диффузор и выходе из СА осуществлялось с помощью 21 и 15 точечной шаговых гребенок. Углы потока на входе и выходе диффузора измерялись при помощи дистанционно управляемого комбинированного пневмонасадка с аэродинамическим угломером.

В ходе исследований аэродинамических харак-

теристик исходного наклонного переходного диффузора и его оптимизации выполнены:

- исследование распределения углов потока по высоте канала на входе и выходе из переходника с не осевым углом входа (20° от оси ГТД) для определения величины спрямления потока за счет обводов проточной части и расположенных внутри стоек и обтекателей;

- исследование аэродинамических характеристик переходника вместе с СА и непосредственно переходника при различной комбинации стоек и обтекателей в канале;

- разработка новых вариантов переходника с разной формой обводов канала;

- анализ результатов исследований вариантов переходника по расходным характеристикам;

- исследование полей полного давления на выходе из переходника и за СА по высоте лопатки.

На рис. 4 представлено распределение по высоте проточной части углов входа и выхода потока из наклонного переходного диффузора. Осреднен-ные по высоте канала углы составили: на входе 22°, на выходе из переходника в ядре потока 20° и в следе от стойки 15°. Установлено, что за счет обводов спрямление потока практически отсутствует. За счет стоек углы потока в корне уменьшились примерно на 10°, в середине канала на 5°, от середины к периферии углы практически не изменились. Это свидетельствует о частичном спрямлении потока в переходнике стойками и обтекателями, причём наибольшее спрямление зафиксировано у корня канала, на периферии же спрямление отсутствует.

30 35

а,град

Рис. 4. Углы потока по высоте проточной части на входе и выходе из наклонного переходного диффузора на режиме А2=0,37-0,38 На рис. 5 представлены зависимости коэффициента восстановления полного давления переходника ст2-3 от режима для трех вариантов комбинации

стоек и обтекателей внутри канала. На номинальном режиме (Я2=0,376) коэффициент восстановления полного давления ст2-3 составил в исходной конструкции 0,979, в варианте только со стойками 0,9825 и в варианте, где стойки и обтекатели отсутствуют

0,984.

Рис. 5. Зависимость коэффициента восстановления полного давления переходника с различной комбинацией стоек и обтекателей в проточной части от приведенной скорости на входе

На рис. 6 приведено распределение коэффициента восстановления полного давления системы “переходник - СА” с0-4 варианта 1 по высоте лопаток СА для различных комбинаций стоек и обтекателей в проточной части (номинальный режим).

Рис. 6. Распределение по высоте лопаток СА коэффициента восстановления полного давления системы “переходник - СА” с различной комбинацией стоек и обтекателей в проточной части

В варианте переходника, где обтекатели заменены стойками, с0-4 по всей высоте СА выше, по сравнению с исходной конструкцией, и потери меньше. В варианте переходника, где стойки и обтекатели отсутствуют, с0-4 в периферийных сечениях

СА выше, что закономерно, а в корневых ниже. Пониженный с0-4 объясняется отсутствием спрямления потока стойками и обтекателями и наличием, в связи с этим, больших положительных углов атаки на лопатки СА, что приводит к росту потерь. Такое объяснение подтверждается характером распределения углов в следе от стоек и в ядре потока по высоте проточной части на выходе из переходника (рис. 4). Из рисунка видно, что больше всего поток спрямляется у корня и практически не спрямляется на периферии. Все три варианта имеют в корне СА провал эпюры с0-4, что объясняется большим меридиональным углом входа потока в СА и его отрывом из-за наклона переходника.

Перед началом экспериментальных исследований по оптимизации наклонного переходного диффузора были разработаны четыре его варианта с различными обводами - варианты 2-5. В ходе исследований разработаны дополнительные варианты

- 1а, 2а, 3а, 3б и 3в (рис. 3). Вариант 1 соответствует исходной конструкции, имеющей угол раскрытия эквивалентного диффузора аЭ = 29°. По литературным источникам этот угол не должен превышать 20° [11]. С учетом этого, а также результатов экспериментальных исследований исходной конструкции, условий постоянной длины и площади на входе и выходе из переходника, были разработаны варианты 2-5 с тенденцией к зажатию проточной части или уменьшению кольцевой площади ЕК и угла аЭ (рис. 7 а, б). При расчетах кольцевой площади

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1 00 110 120 |_ мм

было учтено загромождение (уменьшение) площади за счёт стоек и обтекателей. На рисунке область, занимаемая стойками и обтекателями, обозначена вертикальными линиями.

В варианте 2 максимально уменьшен аЭ во

второй половине переходника. На основании исследований исходного варианта 1 внутренний обвод спроектирован выпуклым, с "цилиндрическим" участком на выходе длиной Ьц и (0,12 + 0,15)Ьд (имеет "плоскую площадку") (рис. 8). Было предположено, что это должно выровнять поток перед СА и

б

Рис. 7. Изменение кольцевой площади (а) и угла раскрытия эквивалентного диффузора (б) по длине переходника

Рис. 8. Варианты 2 и 3 проточной части переходника обеспечить меридиональный угол на входе в СА, близкий к оси ГТД. В варианте 3 (рис. 8), по сравнению с вариантом 2, выполнено более плавным под-жатие проточной части наружным обводом на большей ее протяженности.

В варианте 4 (рис. 3) обеспечен максимально допустимый угол аЭ, равный 20° на всей длине переходника, за исключением области стоек и обтекателей, где угол меньше 20°.

В варианте 5 реализована “перекрыша” на входе в переходник для уменьшения диффузорности и скорости потока перед стойками и обтекателями. Во второй половине переходника за счёт поджатия обводами уменьшен угол а Э с плавным переходом к СА.

На рис. 9 представлены расходные характеристики исследованных вариантов переходного диффузора. Из графика видно, что наилучшими являются варианты 2 и 3, линии которых проходят выше исходного варианта 1.

На рис. 10 приведены поля полных давлений за СА по высоте канала для лучшего по расходной характеристике варианта 3 и исходной конструкции. Провал полного давления на относительной высоте лопатки к и 0 - 0,5 был устранен, что позволило получить благоприятное распределение поля полного давления по всей высоте лопатки. В периферийной части СА поле полного давления практически не изменилось и совпало с исходной конструкцией. Для оценки точности экспериментов в системе “переходник - СА” и подтверждения результатов испытаний варианта 3, были проведены повторные его испытания. Чтобы оценить повторяемость

а

0,072

0,334 0,342 0,350 0,358 0,366 0,374 Д

А Исходная конструкция о Вариант 2  Вариант 3 ^Вариант За

+ Вариант 36 _ .

♦ Вариант 2а ~1~ Вариант 3~

оВариант 4

♦ Вариант 5

1,22 1,24 1,26 1,28 1,30

1.32 Р* /В

1 рес

Рис. 9. Расходные характеристики исследованных вариантов переходника в системе "переходник-СА"

и,

мм

35

30

25

20

15

10

-Вариант 3

>-Вари< ант 3 (г овтор;

/

исходная конструкция /)

\

// иант 3

у V Варна» гг 3

5== ' 1

0,80

0,85

0,90

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0,0

0,95 Р* /Р*

1 4'1 рес

Рис. 10. Поле полного давления за СА по высоте канала на режиме Х2=0,37-0,38

результатов, испытания проводились через один вариант после полной переборки модели. Согласно рис. 10, повторно измеренное поле полного давле-

ния за СА варианта 3 практически полностью совпало с измеренным первоначально.

Зависимости, приведенные на рис. 11, показывают, что эффективность варианта 3 практически во всём диапазоне исследованных режимов выше исходной конструкции. Коэффициент восстановления

^0-4

%

93.0

92.5

92.0

91.5

91.0

90.5

90.0

1 1 Л2=0 376

К =0,370 1 1

лг=о,: 65   Вариант 3

1 Вариант 3 (повтор

Р 1 і Вар иант 3

^ 1 ' 1 '

N Вариант 3

I4*

1 конструкция

0,33

0,34

0,35

0,36

0,37

0,38

Рис. 11. Зависимость коэффициента восстановления полного давления системы "переходник - СА" от приведенной скорости на входе в переходник

полного давления варианта 3 на номинальном режиме (осреднённый по кривым двух испытаний) увеличился, по сравнению с исходным вариантом, на 0,6%. Согласно рис. 11, различие между кривыми коэффициентов восстановления полного давления варианта 3 и варианта 3 (повтор) не превышает 0,1%.

ВЫВОДЫ

Экспериментально исследован характерный для современных ТРДД межтурбинный наклонный переходной диффузор, имеющий большую степень диффузорности, угол раскрытия эквивалентного диффузора и приведенную скорость на входе. При этом внутри диффузора расположены стойки и обтекатели, а на входе существует не осевой угол потока. Установлено, что относительные потери полного давления АР в подобных переходных диффузорах составляют около 2,0%, потери от стоек и обтекателей составляют 0,5%, из них 0,35% вносят обтекатели. Экспериментально выявлено сильное влияние наклонного переходного диффузора на характеристики расположенного за ним СА и турбины в целом. При наличии конических обводов переходного диффузора в корневой части СА обнаружен сильный отрыв потока, приводящий к большим потерям в системе “переходник - СА”. Выполнение обводов коноидальной формы, создание “цилиндрического” участка внутреннего обвода на выходе из диффузора Ьц к (0,12 + 0,15)Ьд и плавное его сопряжение с внутренней полкой СА, при одновременном поджатии потока наружным обводом, позволили существенно уменьшить меридиональные углы течения на выходе из наклонного переходного диффузора и в СА. В результате был устранен провал поля полного давления за СА, зафиксированный в исходной конструкции переходника с коническими обводами, и поле по всей высоте лопатки выровнено. При этом потери полного давления наклонно-

го переходного диффузора вместе с СА на номинальном режиме снизились на АР = 0,6% . Новая методика профилирования обводов наклонного переходника позволила повысить эффективность не только СА, но и всей турбины за счёт улучшения поля полного давления в ее корневой части.

Исследования характеристик наклонного переходного диффузора с коноидальными обводами и углом раскрытия эквивалентного диффузора аЭ и 30° показали, что уменьшение аЭ не приводит к понижению потерь, из чего следует, что даже при больших аЭ (до 30°) в переходном диффузоре с коноидальными обводами могут отсутствовать сильные отрывы потока и большие потери.

Результаты представленных в статье экспериментальных исследований представляют практический интерес для проектирования переходных диффузоров ГТД, тестирования и настроек программ расчёта трёхмерных вязких течений, оптимизации формы и геометрических размеров переходных диффузорных каналов.

Литература

1. Скибин В. А., Солонин В. И. Работы ведущих авиадвигателестроительных компаний по созданию перспективных авиационных двигателей (аналитический обзор). - М.: ЦИАМ, 2004.— 424 с.

2. Гоголев И.Г., Дроконов А.М. Аэродинамические характеристики ступеней и патрубков тепловых турбин. - Брянск, Брянское областное издательство “Грани”, 1995. - 258 с.

3. Телионис Д.П. Отрывные и безотрывные нестационарные пограничные слои. Обзор // Теоретические основы инженерных расчётов. - 1979. -

№1. - с. 142-161.

4. Симпсон Р.Л. Обзор некоторых явлений, возникающих при отрыве турбулентного потока // Теоретические основы инженерных расчётов. -1981. - №4. - с. 131-149.

5. Чжен П. Отрывные течения. Т. 1 - Москва, “Мир”, 1972. - 300 с.

6. Строн Р.К., Клайн С. Дж. Метод расчёта плоских и осесимметричных диффузоров, основанный на определении запаса по отрыву // Теоретические основы инженерных расчётов. - 1983. - №1. - с. 115-121.

7. Хокенсон Г. Расчёт оптимальных диффузоров обратным методом и его экспериментальное подтверждение // Теоретические основы инженерных расчётов. - 1979. - №4. - с. 186-191.

8. Харша П.Т., Глассман Х.Н. Анализ турбулентного безотрывного течения в дозвуковых диффузорах // Теоретические основы инженерных расчётов. - 1976. - №2. - с. 287-289.

9. Гоголев И.Г., Кузьмичёв Р.В., Дроконов А.М. Кочегаров А.А. Экспериментальное исследование двухступенчатого турбинного отсека с переходным патрубком между ступенями // Теплоэнергетика. - 1984. - №7. - с. 62-64.

10. Шерстюк А.Н., Соколов А.И., Чижов В.В. и др. Исследование аэродинамики переходных патрубков прямоточных ГТУ на базе турбореактивных двигателей // Теплоэнергетика. - 1980. - №3. - с. 38-40.

11. Довжик С.А., А.И. Морозов Исследование кольцевых диффузоров осевых турбомашин // Промышленная аэродинамика. - Москва, “Оборонгиз”, 1961. - №20.

Уфимский государственный авиационный технический университет

EXPERIMENTAL METHOD OF IMPROVEMENT OF CHARACTERISTIC TRANSITION DIFFUSER'S WITH TURBINE GTE SITUATED BEHIND IT

E.V. Osipov, I.A. Krivosheev

Presented a developed experimental method of improvement of inclined transition diffuser's characteristic together with go along with it outlet turbine GTE. Investigated the shapes of contours of inclined transition diffuser, different combination of struts and fairings in object and their influence on aerodynamic characteristics of turbine nozzle wane assembly together with diffuser and apart from it. Investigated the influence of contours of struts in object on stream flattening in transition diffuser

Key words: transition diffuser, preparation, aerodynamic characteristics