Проектирование проточной части выхлопных устройств ГТУ с конвертированными авиационными ГТД тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат наук Давлетшин, Ильдар Салихзянович

• Давлетшин, Ильдар Салихзянович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Давлетшин, Ильдар Салихзянович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВЫХЛОПНЫХ УСТРОЙСТВ ГТУ

1.1. Влияние эффективности выхлопного устройства на

мощность и экономичность ГТУ

1.1.1. Выхлопные устройства ГТУ с конвертированными авиационными ГТД

1.1.2. Эффективность выхлопного устройства и его влияние на мощность и экономичность ГТУ

1.2. Методы расчета и проектирования выхлопных устройств

ГТУ

1.2.1. Метод расчета на основе принципа разделения потерь

1.2.2. Метод расчета на основе теории пограничного слоя

1.2.3. Численный метод расчета

1.2.4. Методы профилирования газосборника

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ДОСТОВЕРНОСТИ МОДЕЛЕЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К РАСЧЕТУ ВЫХЛОПНЫХ УСТРОЙСТВ ГТУ

2.1. Моделирование турбулентного течения в диффузоре

2.2. Моделирование турбулентного течения в выхлопном

устройстве газотурбинной установки

2.3. Сравнение расчетных методов

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ГАЗОДИНАМИКИ ТЕЧЕНИЯ В ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ВЫХЛОПНЫХ УСТРОЙСТВ ГТУ С КОНВЕРТИРОВАННЫМИ АВИАЦИОННБ1МИ ГТД

3.1. Исследование газодинамики течения выхлопного

устройства ГТУ с двигателем НК-16СТ

3.2. Исследование организации течения в выхлопном

устройстве ГТУ с конвертированным авиационным ГТД

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА И ВЕРИФИКАЦИЯ МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВЫХЛОПНЫХ УСТРОЙСТВ ГТУ с КОНВЕРТИРОВАННЫМИ АВИАЦИОННЫМИ ГТД

4.1. Описание методики проектирования выхлопных

устройств ГТУ с конвертированными авиационными ГТД

4.2. Верификация методики проектирования выхлопных

устройств ГТУ с конвертированными авиационными ГТД

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Проектирование проточной части выхлопных устройств ГТУ с конвертированными авиационными ГТД»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В настоящее время наиболее эффективным приводом для компрессорных станций (КС) является газотурбинный [44, 64]. В качестве привода ГПА часто находят применение конвертированные авиационные ГТД [10]. Доля газотурбинного привода в газотранспортной системе России составляет 86,9%, Украины - более 82% [59]. Основные показатели проектируемых магистральных газопроводов представлены в табл. 1 [50]. Потребности газоперекачивающей техники для реконструкций и технического перевооружения КС (в России) оцениваются около 1,5-2 млн. кВт в год (около 125 ГПА).

Таблица 1 - Основные показатели проектируемых магистральных газопроводов

СЕГ («Норд стрим») 2011-2016 гг. 55 млрд м3/год, 917 км, 7 КС, 1075 МВт

Бованенково-Ухта, 2011-2016 гг.; 2016-2030 гг. 127,5 млрд м3/год, 1074 км, 9 КС, 2100 МВт; -280 млрд м3/год, 2000 МВт

Ухта-Торжок, до 2030 г. 150 млрд м3/год, 947 км, 7 КС, 1564 МВт

Ухта-Починки, до 2030 г. 80 млрд м3/год, 1275 МВт

«Алтай», 2011-2016 гг. 30 млрд м3/год, 2685 км, 9 КС, 1120 МВт

Видяево-Волхов, 2011-2020 гг. 30 млрд м3/год, 1365 км, 800 МВт

Вышеперечисленные данные свидетельствуют об актуальности вопросов повышения мощностей и экономичности газотурбинных установок (ГТУ). Одним из способов увеличения экономичности ГТУ является повышение эффективности выхлопных устройств [10, 16]. Из гидравлических справочников известно, что сопротивления выходных участков ГТУ имеют большую величину, чем сопротивления входных патрубков. Например, если диапазон сопротивлений входного патрубка ГТУ С,- 0,12-0,6, то величина сопротивлений выходных участков составляет ^ = 0,3-1,13. Сложность структуры и большие скорости потока в выхлопных устройствах не позволяют достаточно точно определить потери с помощью

методов одномерной газовой динамики.

Общим назначением выхлопного устройства является обеспечение отвода рабочего тела ГТУ с минимальными гидравлическими потерями при заданных габаритах.

По исследованию выхлопных устройств выполнено сравнительно немного работ, хотя, как известно, снижение потерь в патрубках может привести к существенному повышению к.п.д. ГТУ [18, 36, 45]. Создание выхлопного устройства отвечающего всем предъявляемым требованиям является сложной задачей.

Существенный рост производительности компьютерной техники, произошедший за последние десятилетия, создал благоприятные условия для применения численных методов (методов вычислительной гидромеханики) для повышения эффективности выхлопных устройств. При этом экспериментальные исследования становятся средством для настройки параметров численного эксперимента, и верификации получаемых результатов.

В настоящее время существует множество моделей турбулентности [4, 42, 81, 82, 88, 90]. Хотя они еще далеки от совершенства, современный этап их развития характеризуется переходом от области фундаментальных разработок к их практическому применению. К тому же ни одна из них не является универсальной, поэтому невозможно категорически утверждать, какая модель является лучшей для данного класса течений. Модели выдают различные результаты при моделировании отрывных течений, пограничных слоев, и т.д. Выбор модели турбулентности зависит от большого количества факторов, поэтому необходимо определить критерии их выбора. Наиболее оптимальным случаем является применение моделей различного уровня сложности на разных этапах проектирования.

Применяемые ранее эмпирические методы проектирования выхлопных имеют ряд трудностей, как технических, так и фундаментальных. Технические трудности обусловлены большой трудоемкостью и стоимостью

таких исследований, зависимостью от внешних условий, ограниченностью получаемой информации, а фундаментальные - влиянием масштабного коэффициента.

Таким образом, развивающиеся средства проектирования и математического моделирования сложных технических устройств требуют их интеграции в соответствующую методику снижения гидравлических потерь ВУ ГТУ.

Цель диссертационной работы. Повышение эффективности выхлопных устройств ГТУ с конвертированными авиационными ГТД путем оптимизации геометрии его проточной части и разработка методики проектирования, учитывающей совокупность сложных газодинамических процессов протекающих в проточной части выхлопных устройств.

Задачи исследования:

- Провести анализ существующих методов проектировочных и поверочных расчетов ВУ ГТУ.

- Провести анализ адекватности статистических моделей турбулентности по отношению к расчету течения с положительным градиентом давления.

- Провести численное исследование структуры течения и потерь давления в осерадиальном диффузоре и газосборнике выхлопной «улитки» ГТУ.

- Проанализировать способы уменьшения потерь давления по тракту выхлопной системы, на основе диагностики течения.

- На основе анализа структуры потока разработать схему организации течения в выхлопном устройстве, обеспечивающую значительное снижение гидравлического сопротивления и провести оптимизацию конструкции, разработанной в соответствии с выбранной схемой.

- Разработать методику проектирования выхлопных устройств, учитывающая совокупность сложных газодинамических процессов проходящих в них. Провести верификацию методики.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы данные экспериментального исследования структуры течения в выхлопном

устройстве ГТУ и численное моделирование.

Достоверность научных положений подтверждается данными экспериментального исследования с . использованием аттестованной измерительной аппаратуры, сравнением 20 расчетов с экспериментальными данными и ЗО расчетов с результатами натурных испытаний, а также сравнением результатов, полученных с использованием различных моделей турбулентности, применением численных схем II порядка.

Научная новизна.

- Рекомендации по использованию моделей турбулентности для расчета выхлопного устройства ГТУ.

- Результаты исследования влияния газосборника выхлопного устройства на структуру течения в ОРД.

- Зависимости коэффициента внутренних потерь выхлопной «улитки» от геометрических параметров газосборника с полостями для разворота потока («карманами»).

- Схема снижения гидравлического сопротивления выхлопных устройств за счет изменения организации течения.

- Методика проектирования выхлопных устройств ГТУ на основе 2Б и ЗО моделирования турбулентного течения.

Практическая ценность результатов. Использование разработанной методики позволяет существенно уменьшить (-40%) гидравлические потери ВУ ГТУ и, соответственно, повысить к.п.д. ГПА. Предложенный подход может быть применен при проектировании выхлопных устройств ГТУ, а также при их модернизации в рамках реализации программ по повышению и поддержанию эффективности ГПА при эксплуатации и капитальном ремонте [46].

Апробация работы. Диссертационная работа, отдельные ее разделы и результаты докладывались и обсуждались:

- на Международной научно-технической конференции «Образование и наука - производству», ИНЭКА, Набережные Челны, 2010 г.;

на Международной молодежной научной конференции "XVIII Туполевские чтения", КГТУ им. А.Н. Туполева, Казань, 2010 г.;

- на 5-й Международной научно-технической конференции молодых специалистов авиастроительной отрасли "Молодежь в авиации: новые решения и перспективные технологии", ОАО "Мотор Сич", г. Алушта, Украина, 2011 г.;

- на Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения», СГАУ, Самара, 2011 г.;

- на VI Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики АНТЭ-2011», КГТУ им. А.Н. Туполева, Казань, 2011 г.;

Личный вклад автора. Автором разработана методика проектирования ВУ ГТУ с измененной организацией течения на основе 20 и ЗЭ моделирования турбулентного течения, проведено расчетное исследование структуры течения и способов повышения эффективности ВУ ГТУ. Выполнен анализ эффективности разработанных мероприятий по результатам эксплуатации.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 3 статьи, опубликованных в изданиях входящих в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка использованных источников.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

£,п - коэффициент полных потерь

% - коэффициент восстановления давления

С, - коэффициент внутренних потерь

Свх. - коэффициент потерь с выходной скоростью

г| - коэффициент полезного действия

ё - втулочное отношение диффузора

п - степень расширения диффузора

Ь - удлинение диффузора

О - радиальность диффузора

Ьг - удлинение газосборника

В г - относительная ширина газосборника

Нг - относительная высота газосборника пг - степень расширения газосборника Бн - площадь входного сечения

- площадь выходного сечения М - число Маха

Яе - критерий подобия Рейнольдса

АЬ0 - общие потери

АЬР - потери расширения

АЬтр - потери трения

а - угол раскрытия диффузора

0 — угол расширения канала

ДЬуд - потери на удар

Ф - коэффициент смягчения удара

сон - начальная скорость

сок - конечная скорость

аэ - эквивалентный угол

ал - локальный угол

П - смоченный периметр

Д2* - площадь вытеснения * **

Л2 - площадь потери энергии

Сокращения

ГПА - газоперекачивающий агрегат ГТУ - газотурбинная установка ОРД - осерадиальный диффузор

САПР - система автоматизированного проектирования

CAD (англ. computer-aided design/drafting) - средства автоматизированного проектирования, в контексте указанной классификации термин обозначает средства САПР, предназначенные для автоматизации двумерного и/или трехмерного геометрического проектирования, создания конструкторской и/или технологической документации, и САПР общего назначения CAE (англ. computer-aided engineering) - средства автоматизации инженерных расчётов, анализа и симуляции физических процессов, осуществляют динамическое моделирование, проверку и оптимизацию изделий

CFD (Computational fluid dynamics) - вычислительная газодинамика DES (Detached eddy simulation) - метод отсоединенных вихрей DNS (Direct numerical simulation) - прямое численное моделирование LES (Large eddy simulation) - метод крупных вихрей

RANS (Reynolds-averaged Navier-Stokes) - уравнения Навье-Стокса осредненные по Рейнольдсу

RSM (Reynolds stress model) - модель напряжений Рейнольдса SA (Spalart-Allmaras) - модель турбулентности Спаларта-Аллмараса

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВЫХЛОПНЫХ

УСТРОЙСТВ ГТУ

В данной главе проведен анализ существующих методов расчета и проектирования выхлопных устройств ГТУ. Приведено описание выхлопных устройств и рассмотрено влияние потерь в них на мощность и экономичность ГТУ.

1.1. Влияние эффективности выхлопного устройства на мощность и экономичность ГТУ

1.1.1. Выхлопные устройства ГТУ с конвертированными авиационными ГТД

Объектом исследования в данной работе является выхлопное устройство ГТУ с конвертированными авиационными двигателями семейства «НК». Наибольшее распространение получили два типа конструктивного исполнения выхлопных устройств: вертикальный и горизонтально-вертикальный [10]. По вертикальной схеме выполнены выхлопные устройства таких агрегатов как ГПА-Ц-6,3 с двигателем НК-12СТ, ГПА-Ц-16 с двигателем НК-16СТ (рис. 1.1.1), ГПА-12 «Урал 25А» с ГТУ-12П, ГТУ НК-900Э с двигателем НК-37. По горизонтально-вертикальной схеме - ГПА-Ц-25 с двигателем НК-36СТ, ГПА «Искра», ГПА-Ц-16 «Волга» с двигателем НК-38СТ (рис. 1.1.2).

Рисунок 1.1.1 - Вертикальный тип выхлопа (ГПА-Ц-16)

Рисунок 1.1.2 - Горизонтально-вертикальный тип выхлопа

(ГПА-Ц-16 «Волга»)

Базовый вариант выхлопного устройства ГТУ с конвертированным авиационным ГТД семейства «НК» представлен на рис. 1.1.3 и включает в себя выхлопную улитку, переходник, диффузор и шумоглушитель. Основная трудность при проектировании выхлопного устройства заключается в расчете выхлопной улитки, которая состоит из диффузора и газосборника, анализ методов расчета которых представлен в разделе 1.2.

Диффузор выхлопной улитки может выполняться осерадиальным, осекольцевым или отсутствовать вообще. Бездиффузорные улитки обладают высоким сопротивлением и в настоящее время практически не используются. Улитки с осекольцевыми диффузорами выполняют при значительных ограничениях длиновых размеров. Самым низким сопротивлением обладают улитки с осерадиальным диффузором, поэтому они получили набольшее распространение.

В зависимости от схемы организации отвода рабочего тела выхлопные устройства могут выполняться с одинарным и двойным (боковым) выхлопом. Наиболее распространенной схемой отвода выхлопных газов является одинарная, в виду меньшего количества элементов, меньшей схемы размещения, меньшей металлоемкости и меньших трудозатрат по сравнению с двойной схемой.

Шумоглушитель

Улитка

Рисунок 1.1.3 - Базовый вариант выхлопного устройства ГТУ с конвертированным авиационным ГТД семейства «НК» Таким образом, в настоящее время, наиболее целесообразным является проектирование выхлопных устройств с осерадиальным диффузором по одинарной схемой отвода выхлопных газов. Поэтому в данной работе объектом исследования является вышеописанное выхлопное устройство, представленное на рис. 1.1.3.

Рассмотрим требования предъявляемые при их проектировании [10]:

1. Обеспечение заданных габаритов.

2. Возможность обеспечения приемлемой длины вала, соединяющего двигатель с нагнетателем. Данное требование ограничивает длину осерадиального диффузора и связано с отстройкой критических оборотов вращения вала, соединяющего двигатель с нагнетателем.

3. Обеспечение поворота потока газа за турбиной на 90° и отвода его в вертикальную шахту с минимальными гидравлическими потерями.

4. Обеспечение стационарного устойчивого характера течения и

равномерного поля давлений за турбиной на всех режимах эксплуатации. Выполнение всех вышеперечисленных требований представляет собой сложную задачу и сводится к нахождению компромиссного решения.

1.1.2. Эффективность выхлопного устройства и его влияние на мощность и экономичность ГТУ

Наиболее полно эффективность выхлопного устройства оценивается коэффициентом полных потерь который характеризует суммарный уровень внутренних потерь ДЬ и потерь с выходной скоростью ДЬСК (рис. 1.1.4):

Сп = (дь + дьск) ЛЬСН

1-

к-1

Рк к *

ЧРну

1-

Г V V

Рн к *

чРну

где ДЬСН - теплоперепад, соответствующий кинетической энергии потока во входном сечении; р - статическое давление; р* - давление полного торможения; к - показатель адиабаты.

Для оценки эффективности патрубков и диффузоров также используются следующие характеристики [17, 18]:

1. коэффициент восстановления давления показывающий какая часть входной кинетической энергии преобразуется в патрубке в дополнительный

теплоперепад Ь, £ = —-—

ДЬСН ;

2. коэффициент внутренних потерь С,- ^

АЬСН

3. коэффициент потерь с выходной скоростью с =

_ АЬск

4. к.п.д. г), определяемый отношением действительного восстановления

Ь

давления к теоретически возможному, п =-.

Ъ + АЬ

Эти характеристики связаны между собой следующими соотношениями:

£ = 1-Сп (1-1.3)

(1.1.4)

1-Сп

у _ у _ у — Чп 4>в.с

л =

1-Св.с

(1.1.5)

5"

Рисунок 1.1.4 - Рабочий процесс в турбине и выхлопном устройстве От аэродинамических характеристик выхлопного устройства зависит экономичность турбины, и, следовательно, всей газотурбинной установки. На рис. 1.1.4 изображен рабочий процесс в турбине и выходном устройстве в диаграмме. Линия 0-Н соответствует расширению потока в турбине, линия Н-К соответствует процессу сжатия в выхлопном устройстве.

Относительный лопаточный к.п.д. турбины представляет собой отношение использованного перепада к располагаемому [ 17]

Hi Hj — hB c Ло.л = TT = ;

Ho H0 - ^hB C

* -Г Лол Sb.c

Ло.л =

Ло.л =

1-^в.с

* -Г Ло.л Ьв.с

(1.1.6)

(1.1.7)

(1.1.8)

где г|*ол - лопаточный к.п.д. проточной части при полном использовании выходной скорости; С,вс коэффициент потерь с выходной скоростью, -коэффициент полных потерь.

Выражение (1.1.8) определяет влияние эффективности выхлопного устройства на к.п.д. турбины при различных значениях коэффициентов и

Неопределим эффективный к.п.д. действительного цикла газотурбинной установки, который определяется отношением эффективной работы Ье к подведенному количеству тепла С2 [18, 28, 55]

Ьк

Т|

Ле =-(1Л-9)

Q

или

к-1

к-1

R

71,

-1

Лс

еОЛсЛр _

к-1

Ле =

v V

f к л к R

к-1

0-

/

уел

к-1

(1.1.10)

Ыс~1

где г|т и г|т - внутренние к.п.д. турбины и компрессора соответственно; г|с и т|р - к.п.д. сжатия и расширения; LT и LK - работа расширения в турбине и сжатия в компрессоре при изоэнтропическом процессе; Q - подведенное тепло.

Известно, что как в идеальном цикле, так и в действительном величина максимальной работы цикла не зависит от степени повышения давления, при которой она достигается. Однако во отличие от идеального цикла в действительном цикле Ье пр шах зависит не только от 0, но и от к.п.д. сжатия и расширения (1.1.10).

Формулы (1.1.8) и (1.1.10) определяют влияние эффективности выхлопного устройства на эффективный к.п.д. действительного цикла газотурбинной установки. На рис. 1.1.5 представлена зависимость к.п.д. ГТУ от потерь в патрубках турбины при различных значения степени сжатия в компрессоре.

1 ■ ..1

N

\

\

¿N1 х ■ \

\

\

* 1 ч

Рисунок 1.1.5 - Относительное уменьшение к.п.д. газотурбинной установки

связанное с потерями в патрубках турбины для 1- 71=9, 2- я=7, 3- тс=5 [18]. Как видно из рисунка, при увеличении к прирост к.п.д. снижается. Прирост мощности, в этом случае, пропорционален приросту к.п.д. [17]

Дг|

Ло

(1.1.11)

При увеличении к.п.д. турбины на 1-2% за счет повышения эффективности выхлопного устройства, для ГТУ мощностью 18МВт получим увеличение мощности на 0,21...0,43 МВт. На рис. 1.1.6 представлен график изменения

мощности двигателя НК-16-18СТ в зависимости от потерь давления выхлопном устройстве [32].

О -0.2 -0,4

-0.3

О 100 200 300 400 500 600 ми>а« ст.

Рисунок 1.1.6 - Влияние потерь давления в выхлопном устройстве на

мощность двигателя НК-16-18СТ

Таким образом, отработка выхлопных устройств ГТУ может позволить существенно повысить к.п.д. турбины и ГТУ в целом.

1.2. Методы расчета и проектирования выхлопных устройств ГТУ

Сложность структуры и большие скорости потока в выходных устройствах существенно затрудняют их расчет. В результате, в настоящее время, наиболее достоверным оказывается экспериментальный путь определения потерь.

Для анализа методов расчета целесообразно остановиться на механизме образования потерь в диффузорных каналах. В разделе 1.1 отмечалось, что потери в выходном устройстве определяются внутренними потерями и потерями с выходной скоростью. Внутренние потери, в свою очередь, определяются потерями на трение и потерями, связанными с образованием отрывных зон. При безотрывном течении единственным источником потерь является трение.

Первое большое обобщение опыта расчета выхлопных патрубков сделано Дорфманом А.Ш., Назарчуком М.М., Польским Н.И, Сайковским М.И. в 1960 г. [18]. Тогда для расчета ими был использован принцип разделения потерь.

Развитие методов расчёта диффузоров и выхлопных патрубков с позиций теории пограничного слоя получило в работах Дейча М.Е. и Зарянкина А.Е. [17]. Для расчета безотрывных диффузоров ими было предложено определение потерь по интегральным характеристикам пограничного слоя в конечных сечениях.

Значительный вклад в развитие методов оптимального проектирования выходных диффузоров турбомашин внесли Мигай В.К. и Гудков Э.И. [36, 37, 38]. Проведенное ими исследование влияния закона профилирования диффузора на эффективность показало, что в отличие от диффузоров компрессорного типа потери с выходной скоростью газотурбинных диффузоров различаются незначительно. Это означает, что восстановительная способность таких диффузоров определяется в основном уровнем внутренних потерь. Однако основное внимание в своей работе [36] ими было уделено проектированию выхлопных патрубков паровых турбин.

В последнее время для расчета потерь в диффузорах и газосборниках все чаще находят применение численные методы основанные на моделировании течения [7, 24, 27, 29, 51, 52, 78, 87]. Одной из причин популярности данного метода является существенный рост производительности компьютерной техники, произошедший за последние десятилетия.

Типовой расчет газотурбинного выхлопного устройства, как правило, включает следующие этапы: расчет (осерадиального) диффузора и газосборника выхлопной улитки.

Расчет осерадиальных диффузоров представляет большие трудности, ввиду того, что их форма определяется большим числом геометрических параметров, влияющих на структуру потока. Литературный обзор показал

[41], что методы расчета (осерадиального) диффузора выхлопной улитки можно условно разделить на:

1) метод расчета на основе принципа разделения потерь [17, 18],

2) метод расчета на основе теории пограничного слоя [18, 63],

3) численный метод расчета [4, 90].

Оценка потерь в газосборнике улитки также представляет большие трудности, связанные со сложной трехмерной структурой потока в них. В виду этого ранее разрабатывались только методы оптимального профилирования, основанные на экспериментальных данных, которые условно можно разделить на:

1) метод профилирования газосборника с постоянной скоростью по тракту [18],

2) метод профилирования «свободного» газосборника [36].

Поэтому, в настоящее время, расчет потерь в газосборнике можно провести только численным методом. Однако вопрос степени адекватности моделей для расчета течений в сложных устройствах, в частности в выхлопных устройствах ГТУ, требует дополнительных исследований.

Рассмотрим основные подходы, используемые в вышеперечисленных методах оценки потерь.

1.2.1. Метод расчета на основе принципа разделения потерь

При расчете диффузоров получил широкое распространение метод разделения потерь. В этом случае потери полного напора в диффузоре представляют как сумму потерь трения и потерь расширения.

АЬр = АЪр + Ah.jp (1.2.1)

При этом потери трения в каждом сечении диффузора (на участке длиной с1х) вычисляются по формуле определяющей гидравлические потери в трубе длиной Ь и диаметром £> при стабилизированном течении [60]

а(дь1р)=С,^| (1.2.2)

где р, со, В - текущие значения плотности, скорости и диаметра по оси х. Коэффициент ^ зависит от числа Рейнольдса Яе и определяется формулой Блазиуса

, _ 0,316

( ]

Преобразовав это выражения для всего диффузора, получим [17, 18]

(1.2.4)

р" 2 о • е 2

Как отмечалось выше, формула (1.2.2) выдает хорошие результаты при стабилизированном течении, то есть на участке 20-30 калибров от входного сечения. Профиль же скорости на начальном участке значительно отличается от профиля скорости на основном участке. Следовательно, при разбиении осерадиального диффузора на ш участков, расчет ведется по соотношению справедливому для начального участка.

Потери расширения ДЬр могут быть определены как разность ДИо- ДЬтр. Почти все известные экспериментальные работы по исследованию конических и плоских диффузоров сводились к стремлению найти эмпирические зависимости величины ДЬр от угла расширения канала 0.

Известно, что при внезапном расширении имеют место так называемые потери на удар ДЬуд, которые определяются по формуле Борда-Карно

2

I-1] (1.2.5)

1 1 \ п у

Если расширение канала с площади Рн до происходит в диффузорном канале, то потери расширения можно вычислить применив коэффициент смягчения удара ф

ДЪр =фДЬуд =ф^(шн-сок)2 (1.2.6)

Ahp

Ф = ~--

^(юн-юк)2

(1.2.7)

Учитывая малое абсолютное значение потерь на трение, вычисленных по формуле (1.2.4), в ряде случаев их целесообразно вообще не выделять, оценивая внутренние потери в диффузорах по соотношению [23]

Входящий в уравнение коэффициент фд определяется на основании экспериментальных данных и включает как потери на расширение, так и потери на трение.

Область применения формулы (1.2.8) ограничена теми диффузорами для которых получена экспериментальная зависимость фд(Э). В свое время простота метода и отсутствие достоверных теоретических решений привели к его широкому распространению для различных классов диффузоров.

Для конических диффузоров зависимость ф(0) представлена на рис. 1.2.1.

Рисунок 1.2.1 — Экспериментальная зависимость коэффициента полноты удара для конических диффузоров от угла расширения [18] Следует отметить, что данный метод первоначально разрабатывался для конических и плоских диффузоров. Для более сложных диффузоров коэффициент смягчения удара зависит не только от одного угла 0, но и от

(1.2.8)

о го 40 m m m m m m m 6°

ряда других параметров, определяющих геометрию диффузора, влияние которых изучено не достаточно.

С целью адаптации вышеописанного метода к расчету криволинейных диффузоров сложной конфигурации, было введено понятие эквивалентного конического диффузора. Сущность такого упрощения состоит в том, что произвольному диффузорному каналу ставится в соответствие некоторый конический диффузор и для этого эквивалентного диффузора рассчитывается или оценивается на основании опытных данных величина коэффициента потерь.

Использование такого метода расчета потерь позволяет свести сложную задачу к более простой. Расчет энергетических характеристик конических диффузоров базируется на соотношении (1.2.8) Пределы изменения фд, как указывалось выше, достаточно широки и колеблются от 0,1 до 1,1. Для любого диффузора можно согласовать опытные данные с формулой (1.2.8) путем соответствующего подбора эквивалентного угла аэ. Величина этого угла должна зависеть от ряда параметров, определяющих как геометрию канала, так и режим течения в нем.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Давлетшин, Ильдар Салихзянович, 2013 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Абрамович Г.Н., Прикладная газовая динамика. - Издание 4-е, исправленное и дополненное. М.: Наука, 1976, 888 с.

2. Андерсон, Д., Таннехилл, Д., Плетчер, Р. Вычислительная гидромеханика и теплообмен. - М.: Мир, 1990. - 384 с.

3. Аржанников Н.С., Мальцев В.Н., Аэродинамика. - Государственное издательство оборонной промышленности, Москва, 1956. - 484с.

4. Белов И.А., Исаев С.А., Моделирование турбулентных течений: Учебное пособие Балт. гос. техн. ун-т. СПб., 2001. 108 с.

5. Брэдшоу П. Введение в турбулентность и ее измерение. М.: Мир, 1974. 278 с.

6. Вирозуб И.Е., Дорфман А.Ш., Об оптимальной форме диффузора, «Теплоэнергетика», 1962, №6.

7. Гарбарук A.B. Современные полуэмпирические модели турбулентности для пристенных течений: тестирование и сравнительный анализ: Автореферат.... Канд. Дис. СПб: СПбГТУ, 1999. 16с.

8. Гиневский A.C., Изв. АН СССР, ОТН, 1956, №3.

9. ГОСТ 2.103-68. ЕСКД. Стадии разработки.

Ю.Гриценко Е.А. и др., Конвертирование авиационных ГТД в ГТУ наземного применения. - Самара: СНЦ РАН, 2004. - 266 е.: ил.

11. Давлетшин И.С. Кесель Б.А., Воскобойников Д.В., Маргулис С.Г., К вопросу проектирования выхлопных устройств газотурбинных установок. VI Международная научно-техническая конференция «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-2011». КНИТУ им. А.Н. Туполева, г. Казань, 2011. с. 300-302.

12. Давлетшин И.С., Мингазов Б.Г., Явкин В.Б., Кесель Б.А., Воскобойников Д.В., Особенности моделирования турбулентного течения в диффузорных каналах простой и сложной конфигурации. Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика

С.П. Королева, №3(27), часть 2, 2011. с. 11-15.

13. Давлетшин И.С., Кесель Б.А., Воскобойников Д.В., Расчетно-экспериментальное исследование газодинамики течения в проточной части выхлопного устройства ГТУ. 5-я Международная научно-техническая конференция молодых специалистов авиастроительной отрасли "Молодежь в авиации: новые решения и перспективные технологии". ОАО «Мотор Сич», Украина, г. Алушта, 2011г. с. 35-36.

14. Давлетшин И.С., Мингазов Б.Г., Поиск направлений оптимизации выхлопного устройства ГПА-Ц-16. XVIII Туполевские чтения. Т.2, Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 2010г. с. 18-19.

15. Двигатель газотурбинный НК-16-20СТ. Результаты испытаний двигателя № А2042001 сборка №6. Техн. справка ТО-2508-08 - Казань. 2008. -97 с.

16. Дейч М.Е., Техническая газодинамика. Изд. 3-е, перераб., М., «Энергия», 1974. - 592с. с ил.

17. Дейч М.Е., Зарянкин А.Е., Газодинамика диффузоров выхлопных патрубков турбомашин. - М.: Энергия, 1970.

18. Дорфман А.Ш, Назарчук М.М. и др., Аэродинамика диффузоров и выхлопных патрубков турбомашин. - Издательство академии наук украинской ССР, Киев, 1960.- 189 с.

19. Дорфман А.Ш, Назарчук М.М., Польский Н.И., Сайковский М.И., О расчете потерь в диффузорах, ИФЖ, 1965, №4.

20. Дорфман А.Ш.,.Сайковский М.И Приближенный метод расчета потерь в криволинейных диффузорах при отрывных течениях. -Промышленная аэродинамика, 1966, вып. 28, с.98-121.

21. Дорфман А.Ш, К вопросу расчета потерь полного давления в диффузорных каналах, «Энергомашиностроение», 1966, №8.

22. Дорфман А.Ш и др., Влияние угла раскрытия на эффективность криволинейных диффузоров. Изв вызов, «Энергетика», 1967, №8.

23. Идельчик И.Е., Справочник по гидравлическим

сопротивлениям/Под ред. М.О.Штейнберга. - 3-е изд., перераб.. и доп. -М.: Машиностроение, 1992. - 672 е.: ил.

24. Исаев С.А. Тестирование дифференциальных моделей турбулентности при расчете отрывных течений // Вестник Академии наук БССР. Серия физ.-энерг.наук. 1989.№4.С.57-62.

25. Колмогоров А.Н. Уравнения турбулентного движения несжимаемой жидкости // Изв.АН СССР.Сер.физ. - 1942. - т. 6. - № 1-2 - с. 56-58.

26. Комплект оборудования для доработки системы выхлопа ГПА-Ц-16 при реконструкции КМЧ-18ВС. Предварительная оценка влияния изменения конструкции выхлопной системы на основные параметры двигателя, установленного в ГПА-Ц-16: Техн. справка/ предпр. п/я Р-6838: Исп. Л.И. Конькова. - № ТС-5504-11. - Казань. 2011. - 12 с.

27. Королева М.Р. Прямое численное моделирование турбулентных течений в несимметричном диффузоре : Дйс. ... канд. физ.-мат. наук : 01.02.05 Ижевск, 2005.

28. Кулагин В.В., Теория, расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок: Учебник. 2-е изд., исправл. М.: Машиностроение, 2003. -616 е.: ил.

29. Ланюк А.Н., Пхайло А.Н. Численный метод расчета дозвуковых двухмерных безотрывных течений газа в каналах. // Известия академии наук СССР энергетика и транспорт. - 1989. - с. 156-161.

30. Ледовская H.H. Управление отрывом потока в диффузорных каналах. Экспериментальное исследование: Дис. ... канд. техн. наук: 01.02.05: Москва, 2004 187 с.

31. Лойцянский, Л.Г. Механика жидкости и газа. - М.: Наука, 1987. -

840 с.

32. Лунев Н.А, Кесель Б.А., Маргулис С.Г. Совершенствование элементов конструкций ГПА и систем, входящих в их состав. Материалы презентации. Авиамотор, Казань, 2007. 57 с.

33. Мазуренко A.C., Арсирий В.А. Повышение эффективности

турбинных установок за счет совершенствования проточных частей патрубков, Вестник национального технического университета «ХПИ», Энергетические и теплотехнические процессы и оборудование, 6'2005.

34. Мазуренко A.C., Арсирий В.А. Совершенствование проточных частей оборудования на основе диагностики потоков П IX Forum of Power Engineers, Tom II, Opole, 2003-2004, С. 402-408.

35. Мазуренко A.C., Арсирий В.А. Совершенствование проточных частей оборудования ТЭС на основе структуры потоков в физических моделях // Труды Межд. научно-техн. конференции «Совершенствование турбоустановок методами математического и физического моделирования» -Харьков. - 2003. - С.420-424.

36. Мигай В.К., Гудков Э.И., Проектирование и расчет выходных диффузоров турбомашин. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1982. -272 е., ил.

37. Мигай В.К., Гудков Э.И., Совершенствование аэродинамики напорного патрубка осевой воздуходувки для мощных котлов. Энергомашиностроение, 1971, №8, с. 16-18.

38. Мигай В.К. Повышение эффективности диффузоров путем установки поперечного оребрения, «Теплоэнергетика», 1961, №4.

39. Мингазов Б.Г., Кесель Б.А., Явкин В.Б., Воскобойников Д.В., Давлетшин И. С., Повышение эффективности выхлопного устройства газотурбинной установки на основе результатов расчетно-экспериментального исследования течения. Вестник Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева, №2, 2012. с. 69-74.

40. Мингазов Б.Г., Давлетшин И.С., Выбор моделей турбулентности и параметров сетки для расчета течений в диффузорных каналах, Изв. вузов, Авиационная техника, №4, 2011. с. 24-28.

41. Мингазов Б.Г., Давлетшин И.С., Об оптимальном проектировании выхлопных устройств стационарных ГТУ. Международная научно-

техническая конференция «Образование и наука - производству», ИНЭКА, г. Наб. Челны, 2010. с. 68-70.

42. Никущенко Д.В. Исследование течения вязкой несжимаемой жидкости на основе расчетного комплекса FLUENT: Учеб. Пособие. СПб.:Изд. СПбГМТУ, 2004, 94 с.

43. Никущенко Д.В., Рогожина Е.А. Применение пакета Fluent® для нахождения суммарных и распределенных гидродинамических характеристик сложных крыльевых систем. - С-Пб.: 2004.

44. Орберг А.Н. и др. О перспективности газотурбинных приводов нового поколения. «Газотурбинные технологии». №2, 2005.

45. Пономарев Н. Улучшение газодинамических характеристик входных и выходных устройств промышленных ГТУ. Газотурбинные технологии. Май, 2000 г. с. 16-19.

46. Понькин В.Н., Жильцов Е.И., Кесель Б.А., Корноухов A.A., Комплекс технических решений по повышению эффективности ГПА. «Газотурбинные технологии». Февраль-март 2009. с. 1-5.

47. Рейнольде А.Дж. Турбулентные течения в инженерных приложениях. М.: Энергия, 1979. 408с.

48. Роуч П., Вычислительная гидродинамика. - М.: Мир, 1980. - 616 с.

49. Самойлович Г.С., Гидрогазодинамика: Учебник для студентов вузов, обучающихся по специальности «Турбостроение». - 2-е издание., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1990. - 384 е.: ил.

50. Смирнов A.A. Газотранспортные системы: настоящее и будущее. «Газотурбинные технологии». Декабрь 2007. С. 42-44.

51. Сол од ов В.Г. Газовая динамика выходных диффузоров: вычислительные аспекты. The gas dynamic of exhaust diffusers: computational aspects. Solodov V.G.TASK, Quart 2001.,5, №4, стр. 495-517.

52. Солодов В.Г., Стародубцев Ю.В., Хандримайлов A.A., Исаков Б.В., Федан В.Т. Трехмерное моделирование вязкого турбулентного течения в выхлопном диффузоре ГТД с кольцевым теплообменником // В кн:

Совершенствование турбоустановок методами матем. и физического моделирования: Сб. научн. тр. ИПМаш НАНУ (под ред. Ю.М. Мацевитого). -2003. - Т. 2. - с.26-34.

53. Солодов В.Г., Стародубцев Ю.В., Исаков Б.В., Федан В.Т. Особенности обтекания опорного венца кольцевого диффузора ГТД при входной закрутке потока, Вестник национального технического университета «ХПИ», Энергетические и теплотехнические процессы и оборудование, 6'2005.

54. Таушканова В.Б. Испытания выхлопных патрубков мощных паровых турбин. - В кн.: Исследование элементов паровых и газовых турбин и осевых компрессоров. M.-JL: Машгиз, 1960, с. 123-132.

55. Теория и расчет воздушно реактивных двигателей/Под ред С.М. Шляхтенко. Учебник для вузов - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1987 - 568 е.: ил.

56. Черный Г.Г., Газовая динамика: Учебник для университетов и втузов. - М.: Наука, 1988. - 424 с.

57. Флетчер, К. Вычислительные методы в механике жидкости. - В 2-х томах. - т. 1. - М.: Мир, 1991

58. Фрик П.Г. Турбулентность: модель и подходы. Курс лекций. / П.Г.Фрик; Перм.гос.техн.ун-т. Пермь, 1999. 136 с.

59. Халатов A.A., Костенко Д.А. Какие газотурбинные двигатели необходимы газотранспортной системе Украины? «Газотурбинные технологии», №7, 2008.

60. Христианович С.А., Гальперин В.Г., Миллионщиков М.Д., Симонов JI.A., Прикладная газовая динамика, М., 1948.

61. Чжен П. Отрывные течения. Перевод с английского под ред. Г.И. Майкапара в трех томах, Том 1, Мир, Москва, 1972г.

62. Чжен П. Управление отрывом потока. Перевод с английского под ред. Бондарева E.H., Мир. Москва, 1979г.

63. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя., перев. с немецкого,

Главная редакция физико-математической литературы издательства «Наука», Москва, 1974. 654 с.

64. Щуровский В.А. Основные направления развития газоперекачивающей техники. «Газотурбинные технологии». Июль-август 2007. С. 38-39.

65. Юн А.А. Теория и практика моделирования турбулентных течений с теплообменом, смешением, химическими реакциями и двухфазных течений. Москва, 2009. - 272 с.

66. Явкин В.Б. и др. Оптимизация проточной части выхлопного диффузора стационарной ГТУ. VI Международная научно-техническая конференция «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-2011». с. 398-401.

67. А.С. Trupp, R.S. Azad, and S.Z.Kassab, "Near-Wall Velocity Distributions Within a Straight Conical Diffuser", Experiments in Fluids 4, pp. 319-331 (1986).

68. Albring W., Wasserkraftmaschinen, 3, Lehrbuch, TH, Dresden, 1967.

69. Bardina J.E., Huang P.G., Coakley T.J, Turbulence Modeling Validation, Testing and Development // NASA reports - April 1997.

70. Boussinesq J. Theorie de l'ecoulement tourbillant //Mem.Presentes par Divers Savants Acad.Sci.Inst.Fr. - 1877. - v. 23 - pp. 46-50.

71.Buice, C. U. and Eaton, J. K., "Experimental investigation of flow through an asymmetric plane diffuser". Report No. TSD-107. Thermosciences Division, Department of Mechanical Engineering, Stanford University, Stanford, CA, USA. August, 1997.

72. Durbin, P. A., "Separated flow computations with the k-e-v2 model," AIAA Journal, Vol. 33, 1995, pp. 659-664.

73. Iaccarino, G., "Prediction of a turbulent separated flow using commercial CFD codes," J. Fluids Eng., Vol. 123, 2001, pp. 819-828.

74. Jones W.P., Launder B.E. The prediction of laminarisation with a 2 equation model of turbulence // Int.J.Heat Mass Transfer. - 1972. - v. 15 -

pp. 310-314.

75. J. Sobieszczanski-Sobieski, R. T. Haftka. Multidisciplinary Aerospace Design Optimization: Survey Of Recent Developments.

76. J. U. Schluter, X. Wu, and H. Pitsch, "Large-Eddy Simulations of a Separated Plane Diffuser", 43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, January 10-13, 2005/Reno, NV

77. Kaltenbach, H. J., Fatica, M., Mittal, R., Lund, T. S., and Moin, P., "Study of now in a planar asymmetric diffuser using large eddy simulation," Journal of Fluid Mechanics, Vol. 390, 1999, pp. 151-185.

78. Lai Y.G., Sot R.M.C., Hwangt B.C. Calculation of Planar and Conical Diffuser Flows // AJAA Journal. - 1989. - t.27, №5. - c.542-548

79. Lange A.H., Lee R.E., Journ. of Aeron. Sci., 1952, v. 21, p. 58.

80. Menter F.R., Kuntz M., Langtry R. Ten Years of Industrial Experience with the SST Turbulence Model // Turbulence, Heat and Mass Transfer. - 2003. -v. 4

81. Menter F.R. Two-Equation Eddy-Viscosity Turbulence Models for Engineering Applications //AIAA J. - 1994. - v. 32. - № 8 - pp. 1598-1605.

82. Menter F.R. Zonal two equation k-o turbulence models for aerodynamic flows // AIAA Paper. - 1993. - № 93-2906 - 21 p.

83. Navier C.L.M.H. Memoire sur les lois du mouvement des fluides // Mem.Acad.Roy.Sci. - 1823. - v. 6 - pp. 389-440.

84. Poroseva S., Iaccarino G. Simulating flows using the k-e model. - Center for Turbulence Research, Annual Research Briefs - 2001. - 375-383.

85. Samy M. El-Behery, Mofreg H. Hamed, A comparative study of turbulence models performance for turbulent flow in a planar asymmetric diffuser. World Academy of Science, Engineering and Technology 53, 2009.

86. Shih T.H., Liou W.W., Shabbir A., Zhu J. A New k-e Eddy-Viscosity Model for High Reynolds Number Turbulent Flows - Model Development and Validation // Computers Fluids. - 1995. - v. 24. - № 3 - pp. 227-238.

87. Solodov V.G., Starodubtsev Yu.V., Isakov B.V., Fedan V.T. Experimental

and Numerical Study of Gas Dynamics of Exhaust Pipe of Gas Turbine Unit // Proc. 6th ISAIF. - 2003. - P. 141-146. // Journ. of Thermal Science. - 2004. - No.l. -P. 31-37.

88. Spalart PR., Allmaras S.R. A one-equation turbulence model for aerodynamic flows // La Rech.Aerospatiale. - 1994. - v. 1 - pp. 5-21.

89. Fluent user's guide. - Fluent Inc., 2001.

90. Wilcox D.C. Turbulence modeling for CFD. 1998. 537p.

91. http://www.ercoilac.com.

92. Yakhot V., Orzag S.A. Renormalization Group Analysis of Turbulence I Basic Theory // Journal of scientific Computing. - 1986. - v. 1. - № 1 - pp. 1-51.

93. 3D расчеты выхлопного устройства, направленные на снижение его гидравлического сопротивления. Технический отчет по договору АДЭУ-34. КГТУ им. А.Н. Туполева, 2008 г. - 164 с.