Разработка методов минимизации потерь в решетках и турбинах при низких числах Рейнольдса тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат наук Непомнящий Алексей Дмитриевич

• Непомнящий Алексей Дмитриевич
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Непомнящий Алексей Дмитриевич

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 О постановке задачи исследования

1.2 Обзор публикаций по исследованиям плоских решеток и турбин в

области низких чисел Re

1.2.1 Исследование плоских турбинных решеток при низких числах Re

1.2.2 Исследование турбин и турбулентности потока в их проточной части

при низких числах Re

1.3 Выводы по главе

Глава 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ИССЛЕДОВАНИЯ ТУРБУЛЕНТНОСТИ ПОТОКА В РЕШЕТКАХ И ТУРБИНАХ ПРИ НИЗКИХ ЧИСЛАХ RE

2.1 Разработка метода для исследования турбулентности потока при помощи высокочастотного зонда давления Kulite FAP-HT-250

2.1.1 Параметры датчиков высокочастотного зонда

2.1.2 Информационно-измерительная система регистрации показаний зонда

2.1.3 Калибровка измерительных каналов с датчиками зонда

2.2 Методика определения стационарных и турбулентных характеристик потока высокочастотным зондом Kulite FAP-HT-250

2.2.1 Параметры подобия для определения стационарных характеристик потока

2.2.2 Методика определения турбулентных характеристик потока высокочастотным зондом

2.3 Калибровка зонда ^^ FAP-HT-250 для определения стационарных и турбулентных характеристик потока

Стр.

2.3.1 Калибровка зонда для определения стационарных характеристик потока

2.3.2 Калибровка высокочастотного зонда для определения турбулентных характеристик потока

2.4 Моделирование турбулентности на входе в экспериментальную решетку

2.5 Выводы по главе

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РЕШЕТОК ТНД ПРИ НИЗКИХ ЧИСЛАХ Re

3.1 Модернизированный стенд У-300М для исследования решеток при

низких числах Re

3.1.1 Модернизация входного устройства стенда У-300

3.1.2 Особенности экспериментальных решеток и методики измерений

3.1.3 О достоверности экспериментальных характеристик стенда У-300М

3.2 Апробация экспериментальных характеристик модернизированного

стенда У-300М

3.3 Исследование решеток при пониженных числах Re на стенде У-300М

3.3.1 Результаты экспериментального исследования решетки

3.3.2 Результаты экспериментального исследования решеток 3 и

3.3.3 Влияние турбулизирующих сеток на начальную турбулентность

потока

3.4 Исследование структуры течения в решетке

3.4.1 Исследование структуры течения перед решеткой

3.4.2 Исследование структуры течения за решеткой

3.5 Влияние конфузорности межлопаточных каналов на Reпр

3.6 Экспериментальное исследование решеток с передненагруженными профилями при низких числах Re

3.7 Обобщающая зависимость профильных потерь в плоских решетках от числа Re

3.8 Выводы по главе

Стр.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТУРБУЛЕНТНОСТИ ПОТОКА В ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ТУРБИН. ВЛИЯНИЕ ВХОДНОЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ ПОТОКА НА ПАРАМЕТРЫ МОДЕЛЬНОЙ

СТУПЕНИ ТНД

4.1 Исследование турбулентности перед и за многоступенчатой ТНД

4.1.1 Исследование пульсаций полного давления перед и за многоступенчатой ТНД

4.1.2 Измерение турбулентности в проточной части многоступенчатой ТНД

4.1.3 Сравнение параметров турбулентности потока во входном канале

ТНД, полученных с помощь зонда Kulite FAP-HT-250 и системы Stereo PIV

4.1.4 Обобщенная зависимость параметров турбулентности потока от числа

Re во входном канале многоступенчатой ТНД

4.2 Измерение турбулентных параметров потока на входе в модельную

ступень ТНД

4.2.1 Основные параметры модельной ступени

4.2.2 Основные результаты измерений турбулентных параметров потока

4.3 Влияние входной турбулентности потока на эффективность модельной ступени ТНД

4.3.1 Результаты экспериментального исследования модельной ступени ТНД

при низких числах Re

4.3.2 Результаты расчетного исследования модельной ступени ТНД при

низких числах Re

4.4 Выводы по главе

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

Обозначение Расшифровка

КПД Коэффициент полезного действия

СА Сопловой аппарат

РК Рабочее колесо

НА Направляющий аппарат

ТВД Турбина высокого давления

ТНД Турбина низкого давления

ТС Турбулизирующая сетка

ТРДД Турбореактивный двухконтурный двигатель

рт Степень реактивности ступени

Re Число Рейнольдса

Sh Число Струхаля

Y Коэффициент быстроходности турбины

и/с-^ Коэффициент быстроходности ступени

Конструктивный угол решетки на входе

в2эф Эффективный угол решетки на выходе

t Шаг решетки

ст Максимальная толщина профиля

б Угол отгиба спинки профиля

Reгр. Граничное число Re

Reпр. Предельное число Re

^пр. Коэффициент профильных потерь

Ар Коэффициент потерь полного давления

Ти Турбулентность потока

М Число Маха

р Давление

Т Температура

G Расход воздуха/газа

п Частота вращения ротора

и Окружная скорость

лт Степень понижения давления в турбине

D Диаметр

h Высота лопатки

X Приведенная скорость газа

с Скорость газа

Л Интегральный масштаб турбулентности потока

Е Энергетический спектр пульсационной компоненты вектора

К Геометрическая конфузорность каналов решетки

d\ Толщина входной кромки

d2 Толщина выходной кромки

у Угол установки профиля

а2 Ширина выходного сечения межлопаточного канала

L Хорда профиля

z Число лопаток

а Угол потока в абсолютном движении

в Угол потока в относительном движении

* Коэффициент полезного действия турбины по параметрам

Ли

заторможенного потока

Индексы:

0 Входное сечение/начальное состояние

1 Сечение перед решеткой

2 Сечение за решеткой

is Изоэнтропическое течение

i Направление вдоль вектора средней скорости

* Состояние изоэнтропического торможения потока

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов минимизации потерь в решетках и турбинах при низких числах Рейнольдса»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Газодинамическая эффективность турбины низкого

давления (ТНД) помимо геометрических параметров проточной части и

*

режимных параметров пт , и/с-^ во многом зависит и от более общих параметров, к которым можно отнести:

- тип профилей (передне/задненагруженные);

- реактивность ступеней рт;

- число Рейнольдса (Re)^;

- турбулентность потока.

Тип профилей характеризует лопаточные венцы более на качественном уровне и определяется сочетанием определенных геометрических параметров (углами установки и отгиба). В частности, при использовании передненагруженных профилей в лопаточных венцах точка перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный на спинке лопаток смещается к входной кромке и на оставшейся части спинки возникает диффузорное течение с высоким уровнем потерь трения и склонностью к отрыву. При использовании задненагруженных профилей в лопаточных венцах точка перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный на спинке лопаток смещается к выходной кромке и на значительной передней части спинки сохраняется конфузорное течение с ламинарным пограничным слоем и низким уровнем потерь трения. При высоком уровне числа Re > 2.5*105 задненагруженные профили обеспечивают минимальный уровень профильных потерь в лопаточном венце.

В турбинных ступенях с высокой степенью реактивности лопаточные аппараты рабочего колеса (РК) имеют значительную конфузорность и умеренный угол поворота потока. При этом потери в сопловом аппарате (СА) невелики, однако закрутка потока на выходе имеет повышенные значения. При уменьшении степени реактивности конфузорность каналов РК снижается, а угол поворота потока возрастает, что приводит к интенсивному увеличению потерь в РК

(закрутка потока на выходе снижается). Потери в сопловом аппарате изменяются при этом незначительно.

Течение в проточной части турбины имеет повышенную неоднородность, нестационарность и турбулентность. Влияние данных параметров на коэффициент полезного действия (КПД) ТНД учитывается в расчетах с использованием 3D RANS (URANS) уравнений. Значения неоднородности, нестационарности и турбулентности потока перед турбиной высокого давления (ТВД) определяется камерой сгорания, а перед ТНД - геометрическими и режимными параметрами ТВД. Параметры турбулентности потока в проточной части турбин при разных режимах их работы (в частности, по числу Re) практически не изучены.

*

Влияние степени расширения пт , реактивности ступеней рт, коэффициента быстроходности Y (u/cis) и геометрических параметров решеток ф1к; ß2^; t; cm; 5;...) на эффективность турбины, исследовались в газотурбостроении многократно [1], [2], [3]. Влияние типа профилей в решетках, чисел Re и турбулентности потока исследовано недостаточно. Поэтому исследование влияния низких чисел Re и параметров турбулентности потока на газодинамическую эффективность ТНД является исключительно актуальной темой, обусловленная необходимостью повышения эффективности ТНД воздушно-реактивных двигателей (ВРД) при уменьшении числа Re по мере набора высоты полета самолетом.

С 70-ых годов прошлого века в ЦИАМ ведутся интенсивные исследования по оценке уменьшения КПД турбины. Известны труды В.Е. Михальцева, Б.Ш. Ланда, В.О. Боровик по исследованию влияния числа Re на эффективность турбин. Работы по исследованию влияния чисел Re на эффективность турбин проводятся на плоских решетках - моделях лопаточных венцов турбин, на модельных и натурных турбинах. Подобные работы проводятся за рубежом.

Степень разработанности темы. Исследованиям лопаточных венцов и модельных турбин в области низких чисел Re посвящено большое количество работ. Исследования проводятся в основном на плоских решетках при низком

уровне начальной турбулентности потока. Результаты исследований имеют разрозненный характер и невысокую практическую значимость.

Настоящая диссертация обусловлена необходимостью проведением систематизации накопленных данных (в том числе, полученных автором) по испытаниям плоских решеток и турбин при низких числах Re. В результате получено обобщение данных семи плоских решеток, верифицированное на 15 плоских решетках других исследователей.

Разработаны рекомендации по повышению эффективности турбин низкого давления.

Цели и задачи диссертации:

1. Провести исследования плоских решеток на модернизированном - под руководством соискателя - стенде У-300 с целью выявления особенностей формирования потерь и уровня турбулентности потока при низких числах Re.

2. Разработать модельную ступень ТНД ТРДД и провести ее испытания при низких и сверхнизких числах Re на модернизированном - под руководством соискателя - стенде ТС-2 ЦИАМ.

3. Разработать метод измерения турбулентности потока при помощи высокочастотного зонда давления и провести измерение параметров турбулентности потока в проточной части турбин и плоских решеток при низких числах Re.

4. Провести анализ и обобщение результатов экспериментального исследования плоских турбинных решеток при низких числах Re.

5. Разработать рекомендации по снижению дополнительных потерь в лопаточных аппаратах и ступенях ТНД при низких числах Re.

Научная новизна работы:

1. Введены понятия граничного числа Рейнольдса Reгр., определяющего границу области автомодельности профильных потерь в решетке.

2. Впервые получена обобщающая зависимость влияния низких чисел Re на профильные потери в лопаточных венцах.

3. Впервые получены новые данные по влиянию сверхнизких чисел Re (Re < 0.5х 105) и начальных параметров турбулентности потока на эффективность ступени ТНД.

4. Разработан метод исследования особенностей турбулентных параметров потока при помощи высокочастотного зонда давления КиШе FAP-HT-250.

Теоретическая и практическая значимость результатов работы:

1. Обобщающая зависимость влияния низких чисел Re на профильные потери в лопаточных венцах позволяет получить оценку изменения эффективности ТНД с уменьшением числа Re на стадии проектирования турбины. Современные расчетные методы (модели турбулентности) дают значительную погрешность в предсказании отрывных явлений в лопаточных венцах ТНД и в оценке эффективности турбины в целом при низких числах Re.

2. Впервые исследованы турбулентные параметры потока при помощи высокочастотного зонда в турбинах и плоских решетках при низких числах Re в модельных условиях.

3. Определены доверительные диапазоны по частотной реализации пульсаций скорости потока и по минимальному числу Re для выскочастотного зонда КиШе FAP-HT-250, которые могут установлены для высокочастотных зондов других типов (по числам Re и Sh).

4. Получены новые данные по параметрам турбулентности потока в решетках и турбинах при низких числах Re; получены новые данные по влиянию низких чисел Re и турбулентности потока на потери в решетках и турбинах.

5. Сформулированы рекомендации по оптимальному проектированию решеток и турбин, работающих при низких числах Re.

Методы исследования. Приведенные результаты имеют экспериментальный характер исследования плоских решеток и модельной ступени ТНД соответственно на модернизированных стендах У-300 и ТС-2 ЦИАМ при низких числах Re.

Метод измерения турбулентных параметров потока в решетках и турбинах основан на применении высокочастотного зонда давления. Простая конструкция зонда и его высокая надежность увеличили возможности исследований турбулентных течений (по сравнению с LDA, PIV или термоанемометром). Положения, выносимые на защиту:

1. Обобщающая зависимость влияния низких чисел Re на профильные потери в лопаточных венцах.

2. Новые данные по влиянию сверхнизких чисел Re (Re < 0.5*105) и начальных параметров турбулентности потока на эффективность ступени ТНД и потерь в плоских решетках.

3. Метод измерения турбулентности потока при помощи высокочастотного зонда давления с получением результатов измерения параметров турбулентности потока в плоских решетках и турбинах при низких числах Re в модельных условиях.

4. Рекомендации по проектированию решеток и турбинных ступеней с учетом влияния низких чисел Re и турбулентности потока.

Степень достоверности результатов подтверждается применением фундаментальных законов подобия газодинамики и достоверных экспериментальных данных, полученных в модельных условиях исследования плоских решеток при низких числах Re, в условиях поддержания равномерных параметров потока на входе; результатами систематизации данных экспериментального исследования плоских решеток; достоверных экспериментальных данных, полученных в модельных условиях исследования модельной ступени ТНД при низких и сверхнизких числах Re; сравнением экспериментальных данных, получаемых при помощи высокочастотного зонда давления с данными, полученными при помощи термоанемометра и системы Stereo PIV.

Личный вклад соискателя. Изложенные в диссертации результаты по разработке метода измерения параметров турбулентности потока при помощи высокочастотного зонда давления, по технологии подготовки экспериментальных

стендов и экспериментальных объектов с проведением экспериментальных исследований, обработке и обобщению результатов исследования, выполнены соискателем лично.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на Международных форумах и Международных конгрессах:

1. Международный форум Двигателестроения «Научно-технический конгресс по двигателестроению (НТКД-2014)» (Москва, 2014);

2. Международный форум Двигателестроения «Научно-технический конгресс по двигателестроению (НТКД-2016)» (Москва, 2016);

3. Международный форум Двигателестроения «Научно-технический конгресс по двигателестроению (НТКД-2018)» (Москва, 2018);

4. 29-ый Международный Конгресс по Авиационным Наукам ICAS-2014 (Санкт-Петербург, 2014);

5. 30-ый Международный Конгресс по Авиационным Наукам ICAS-2016 (Тэджон, 2016);

6. 31-ый Международный Конгресс по Авиационным Наукам ICAS-2018 (Белу-Оризонти, 2018).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных статей, из них 3 статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень изданий, рекомендуемых ВАК РФ и 3 статьи в трудах Международного Конгресса по Авиационным Наукам (ICAS), включенных в базу данных Scopus.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 59 наименований. Объем работы включает 135 страниц, 81 рисунок, 11 таблиц.

В главе 1 рассматривается состояние вопроса и постановка задачи диссертационного исследования. Указывается, что настоящая диссертация является попыткой провести систематизацию накопленных данных (в том числе, полученных автором) и разработать уточненные рекомендации по повышению эффективности турбин низкого давления (минимизировать потери). Показано, что

исследования влияния числа Re на потери в лопаточных аппаратах необходимо проводить в различных плоских решетках (моделей лопаточных аппаратах) при различных начальных параметрах турбулентности потока. В главе 1 также приводится обзор публикаций по исследованию плоских решеток и турбин в области низких чисел Re и обзор публикаций по исследованию параметров турбулентности потока в проточной части турбин.

В главе 2 приведено описание метода исследования турбулентных параметров потока в решетках и турбинах при низких числах Re. В качестве инструмента исследования параметров турбулентности потока используется пятиточечный высокочастотный зонд давления КиШе FAP-HT-250.

В главе 3 приведено описание мероприятий по модернизации стенда У-300 для проведения экспериментальных исследований плоских решеток при низких числах Re и конструктивных особенностей исследуемых на данном стенде плоских решеток. Приведены результаты апробации экспериментальных характеристик стенда (результаты измерения полей параметров потока на входе в плоские решетки при низких числах Re) и результаты экспериментального исследования плоских решеток, полученные при различных числах Re и различных начальных параметрах турбулентности потока. Приведена обобщающая зависимость влияния низких чисел Re на профильные потери в плоских решетках. Зависимость получена по результатам обобщения данных экспериментального исследования 7 плоских решеток на стенде У-300М; подтверждена результатам испытаний 15 плоских решеток при разных уровнях интенсивности турбулентности потока на входе, опубликованных в отрытой печати.

В главе 4 приведены результаты измерения параметров турбулентности потока в проточной части турбин, исследуемых на стенде ТС-2 ЦИАМ. Приведены новые данные по влиянию низких, сверхнизких чисел Re (0.15х105 < Re < 1.0х105) и параметров турбулентности потока на эффективность турбинной ступени.

В общих выводах резюмируются выполненные задачи и полученные результаты. Приводятся рекомендации по проектированию проточной части турбин, работающих при низких числах Re.

Благодарность

Автор выражает благодарность научному руководителю - доктору технических наук, профессору В.Д. Венедиктову. Особую признательность автор выражает доктору технических наук В.И. Гурову, кандидату технических наук В.Г. Маркову, кандидату технических наук С.В. Руденко, кандидату физико-математических наук В.Г. Крупа, Н.Е. Градовой, С.В. Сунцову, А.А. Липатову, В.Е. Прохорову, В.Н. Рыжову, А.И. Саулину, С.М. Нетисовой. Выполнение работы было бы невозможно без поддержки всего коллектива турбинного отдела ЦИАМ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 О постановке задачи исследования

Исследованиям в этой области посвящено большое количество работ. Исследования проводятся на плоских решетках, на турбинных ступенях в модельных и не модельных условиях. Результаты исследований имеют разрозненный характер, невысокую достоверность и практическую значимость.

Настоящая диссертация является попыткой провести систематизацию накопленных данных и разработать уточненные рекомендации по повышению эффективности ТНД.

Потери в проточной части газовых турбин в области низких чисел Re определяются утолщением пограничных слоев на элементах проточной части, в первую очередь, на пере лопаток СА и РК.

Будем рассматривать данное явление в последних ступенях ТНД турбореактивного двухконтурного двигателя (ТРДД) с прямым приводом вентилятора, где приведенная скорость на выходе из лопаточных аппаратов дозвуковая и не превышает = 0.65 - 0.7.

Согласно общепринятого моделирования газодинамических потерь, потери в дозвуковых лопаточных аппаратах складываются из профильных и вторичных потерь (вблизи торцевых поверхностей межлопаточных каналов). Профильные потери складываются из потерь трения на пере лопатки и кромочных потерь.

При уменьшении числа Re пограничные слои утолщаются и потери трения на пере лопатки увеличиваются по сравнению с их значениями ^р.о в автомодельной по числу Re области Re > (3.. ,5)*105. При этом могут изменяться и кромочные потери. Поэтому следует рассматривать влияние низких чисел Re именно на профильные потери.

Исследованию влияния низких чисел Re на вторичные потери уделяется существенно меньшее внимание. Это объясняется большой относительной длиной лопаток в последних ступенях ТНД (Ы1 > 3...4), вследствие чего вторичные потери и их приращение при низких числах Re, как правило, невелики. Именно поэтому исследования, как правило, ограничиваются анализом влияния числа Re на профильные потери.

Исследования в большинстве случаев проводятся на плоских решетках с повышенной относительной длиной лопаток, что гарантированно обеспечивает отсутствие влияния вторичных течений и вторичных потерь.

Профильные потери в плоской решетке не зависят от числа Re при ее работе в области автомодельлности. При снижении числа Re профильные потери начинают увеличиваться начиная с определенного числа Re, что связано с утолщением пограничных слоев на профиле лопаток. Это число Re будем называть граничным числом Reгр.. Граничное число Re определяет границу области автомодельности профильных потерь в решетке. При дальнейшем уменьшении числа Re пограничные слои на профиле постепенно утолщаются до тех пор, пока на спинке лопаток не возникнет отрыв потока. При дальнейшем уменьшении числа Re интенсивность отрыва и потери в решетке катастрофически возрастают. Значение числа Re, при котором возникает отрыв потока, будем называть предельным и обозначать Reпр..

Значение граничного числа для конкретной решетки Reгр. зависит от геометрии данной решетки и начальных параметров турбулентности потока. С увеличением интенсивности турбулентности потока граничное число Reгр., как правило, смещается в зону более низких значений числа Re.

Таким образом, исследование влияния числа Re на потери в лопаточных аппаратах необходимо проводить в различных решетках при различных начальных параметрах турбулентности потока.

Влияние низких чисел Re на профильные потери можно оценивать отношением коэффициентов действительных профильных потерь £пр. к

профильным потерям ^пр 0 в автомодельной по числу Re области - коэффициентом влияния числа Re на дополнительные потери, см. формулу (1.1):

^е = ^пр/Спр.0 (1.1)

1.2 Обзор публикаций по исследованиям плоских решеток и турбин в области низких чисел Re

1.2.1 Исследование плоских турбинных решеток при низких числах Re

На данный момент времени опубликовано большое количество работ по исследованию плоских решеток при пониженном уровне чисел Re и различной начальной интенсивности турбулентности потока (Ти).

В работе [4] экспериментально исследуются 2 группы решеток, различающиеся густотой (относительным шагом) на 15%. Каждая группа включает решетки с передненагруженными (ПН), с задненагруженными (ЗН) и с средненагруженными (СН) профилями. Измеренный уровень интенсивности турбулентности потока на входе Ти0 = 0.045, масштаб турбулентности, определенный по диссипации кинетической энергии турбулентности [4], I = 1.3 мм.

В решетах с исходной густотой на режиме М2^ = 0.64 при уменьшении числа Re нормированные профильные потери возрастали наиболее сильно при задненагруженных профилях и наиболее слабо при передненагруженных профилях. Аналогичная более сильно выраженная картина наблюдалась и в группе с пониженной густотой решеток (см. Рисунок 1.1).

В пределах каждой группы решеток, задненагруженные профили при уменьшении числа Re приводили к существенно большим потерям, чем передненагруженные профили.

В работе [5] исследовались две плоские решетки, составленные из однотипных средненагруженных профилей: решетка Т160 с исходной аэродинамической нагрузкой и решетка Т161 с увеличенной на 25%

аэродинамической нагрузкой. На Рисунке 1.2 показаны зависимости нормированных потерь полного давления в этих решетках от числа Re на режиме = 0.6 при интенсивности турбулентности потока на входе Ти = 0.04.

Исходная густота

Пониженная густота

1.80 1.40 1.00 0.60

▲

"""А

▲

• А

V

АЛ

Профили А - ЗН • - СН . - ПН

^пр.

1.80

1.40 1.00 0.60

I-

Профили А - ЗН • - СН . - ПН

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 Я^хЮ-5 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 Я^хЮ-5

Рисунок 1.1. Зависимость нормированных профильных потерь от числа Re для 2-х групп решеток при М2^ = 0.64 и Ти0 = 0.045 [4]

АР

2.50------------го

2.00------------( °

1.50------------[--а--

1.00------------(-----■

0.50------------к

д Т160 о Т161

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 Я^Ю-5 Рисунок 1.2. Зависимость нормированных потерь полного давления от числа Re в решетках Т160 и Т161 при М2^ = 0.6 и Ти0 = 0.04 [5]

Аналогичные результаты исследования решеток Т160, Т161 приведены в работах [6], [7].

На Рисунке 1.2 видно, что в высоконагруженной решетке Т161 потери полного давления с уменьшением числа Re увеличиваются быстрее, чем в исходной решетке Т160.

В работе [8], [9] исследовалась плоская решетка с большим относительным шагом на режиме М2^ = 0.65 и различной интенсивностью турбулентности на входе Ти = 0.008; 0.018; 0.032 (см. Рисунок 1.3).

0.08 0.06 0.04 0.02

Ти 0.008 0.018 0.032

А 1

______ с

с

О А

° £ • аЛ

* оД Д 2

1.0 1.5 2.0 2.5 Rel0-5 Рисунок 1.3. Зависимость коэффициента профильных потерь от числа Re в

плоской турбинной решетке Т106С при М2^ = 0.65 и интенсивности турбулентности Ти0 = 0.008; 0.018; 0.032 [9]

Из Рисунка 1.3 видно, что в высоконагруженной решетке Т106С с увеличением интенсивности турбулентности потока на входе потери в области низких чисел Re заметно снижаются, что можно объяснить уменьшением зоны отрыва на спинке лопаток под действием начальной турбулентности.

Экспериментальные исследования плоских решеток при низких числах Re проводятся также и в России (см., например, [10], [11], [12]).

В работе [10] приведены результаты обобщения экспериментальных данных по влиянию низких чисел Re на профильные потери, полученных на 14 плоских решетках при низкой турбулентности потока. Однако полученная обобщающая зависимость не учитывает влияние геометрических параметров решетки и начальных параметров турбулентности потока [13].

Помимо исследования профильных потерь в плоских решетках, проводятся исследования вторичных потерь при низких числах Re. Результаты проведенных ранее экспериментальных исследований плоских решеток в ЦИАМ показывают, что величина вторичных потерь только незначительно зависит от числа Re [12], [13], [14]. Относительно малая величина вторичных потерь по сравнению с

профильными потерями при низких числах Re наблюдается в решетках со значительными углами поворота потока и низкой конфузорностью межлопаточных каналов. [12, 15, 16].

Обзор работ по исследованию влияния низких чисел Re на потери в плоских решетках показал следующее:

- Профильные потери в плоских решетках увеличиваются с уменьшением числа Re вследствие утолщения пограничных слоев на профиле лопаток. При возникновении отрыва пограничного слоя на спинках лопаток профильные потери интенсивно возрастают.

- Практически все исследования проводились при низкой интенсивности турбулентности потока на входе Ти < 0.05. В большинстве случаев масштаб турбулентности, характеризующий структуру турбулентности, не учитывался.

- Измерения турбулентности в плоских решетках проводятся, как правило, при помощи термоанемометров.

- В области низких чисел Re передненагруженные профили предпочтительнее задненагруженных профилей.

1.2.2 Исследование турбин и турбулентности потока в их проточной части при низких числах Яе

Измерения турбулентности потока в проточной части турбин существенно ограничиваются возможностями используемой аппаратуры (ЛДА, термоанемометры). Поэтому измерения турбулентности, как правило, проводятся

в не модельных условиях: при минимальных скоростях (М< 0.3), перепадах

*

давлений (лт < 1.1), атмосферных температуре и давлении. Результаты измерений имеют в основном качественный характер.

В работе [17] измерение интенсивности турбулентности потока проводилось на одноступенчатой модельной турбине. Схема турбины показана на Рисунке 1.4. Параметры на режиме эксперимента приведены в Таблице 1.

1184.3 мм

Б

1 458.3 мм

Рисунок 1.4. Схема модельной турбины [17]

Таблица 1.

Параметры модельной турбины на расчетном немодельном режиме

Название Обозначение Размерность Величина

Полная температура на входе ... * Т К 289

Полное давление на входе * Р0 бар 1.0136

Расход на входе в турбину кг/с 11.05

Число оборотов ротора п об/мин. 1300

Скорость вращения РК на среднем диаметре и м/с 54.4

Степень расширения в турбине * - 1.0778

Кинематический параметр У - 0.36

Средний диаметр РК D мм 793.5

Высота лопатки РК h мм 122.9

Измерения турбулентности потока проводились при помощи двухкомпонентного лазерного доплеровского анемометра (ЛДА), позволяющего измерить осевую и окружную пульсационные компоненты вектора скорости. Для регистрации компонент скорости поток засеивался жидкими частицами, размером ~ 1 мкм.

Измерения проводились на среднем диаметре проточной части турбины от середины осевого зазора между сопловым аппаратом (СА) и рабочим колесом (РК) до выхода из турбины (т.е. внутри межлопаточного канала РК).

СА турбины имел возможность поворачиваться в окружном направлении и фиксироваться в 6 угловых положениях. При фиксированной позиции СА на среднем радиусе проточной части проводилась регистрация 120 000 значений

компонент вектора скорости. Угловое положение РК относительно зонда ЛДА определялось с помощью системы контроля углового положения ротора турбины. Полученные данные синхронизировались с угловым положением ротора турбины и с угловым положением СА.

Показано, что максимальная интенсивность турбулентности потока наблюдается в кромочных следах за лопатками. На Рисунке 1.5 приведена зависимость интенсивности турбулентности осевой пульсационной компоненты вектора скорости Тих, окружной компоненты скорости Тии и полной интенсивности Ти вдоль кромочного следа, по мере удаления от выходной кромки, отнесенного к хорде профиля.

Ти -г-----------------------------------------------------,--------------------------,--------------------------г---------------------------

0.50—®--------------------1--------------------------]--------------------------1--------------------------[--------------------------1

• ! | | * • ! *Ти \

0.40----------------------------!-•и- ^ \--------------------------1--------------------------

_________________________________________________•••• __________________________|__________________________

& ! ! ! • ! 0.30 ^-----------------------------------------------I--------------------------1-------------------------*---------------------Щ

-аЕ°°[о°епь-п-а.......|.......;.........................|

°-2°-.....................Л (Д У а) д д- д.......I е.................в.....................й

/ А Д к А

--------------------Тии ^-----------------]--------------------------р*-----------------£------------------------

0.10-1-1-1-1-1-А

0.5 1.0 1.5 2.0 х

Рисунок 1.5. Интенсивность турбулентности потока вдоль кромочного следа за лопаткой РК

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Непомнящий Алексей Дмитриевич, 2021 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Исследования газовых турбин реактивных двигателей / В.Х. Абианц [и др.]. М.: Машиностроение. 1971. 460 с.

2. Атлас экспериментальных характеристик плоских решеток охлаждаемых газовых турбин / В.Д. Венедкитов [и др.]. М.: ЦИАМ. 1990. 393 с.

3. Венедиктов В.Д. Газодинамика охлаждаемых турбин. М.: Машиностроение. 1990. 240 с.

4. Parkash C., Cherry D.G., Shin H.W., Machnaim J., Dialey L., Beacock R., Halstead D., Wadia A.R., Ng W.F., Guillot S. Effect of Loading Level and Distribution on LPT Losses // ASME Paper. 2008. No. GT2008-50052.

5. Martinstetter M.,Niehuis R., Franke M. Passive Boundary Layer Control on a Highly Loaded Low Pressure Turbine Cascade // ASME Paper. 2010. No. GT2010-22739.

6. Gier J., Hübner N. Design and Analysis of a High Stage Loading Five-Stage LP Turbine Rig Employing Improved Transition Modeling // ASME Paper. 2005. No. GT2005-68971.

7. Gier J., Frake M., Hübner N., Schröder T. Designing LP Turbines for Optimized Airfoil Lift // ASME paper. 2008. No. GT2008-51101.

8. Pacciani R., Marconcini M., Arnone A., Bertini F. A CFD Study of Low Reynolds Number Flow in High Lift Cascades // ASME paper. 2010. No. GT2010-23300.

9. Michalek J., Monaldi M., Arts T. Aerodynamic Performance of a Very High Lift Low Pressure Turbine Airfoil (T106C) At Low Reynolds And High Mach Number With Effect Of Free Stream Turbulence Intensity // ASME Paper. 2010.

No. GT2010-22884.

10. Мухтаров М.Х. Экспериментальное исследование потерь в турбинных решетках при низких числах Рейнольдса // Теплоэнергетика. 1968. № 9. С. 56 -58.

11. Исследование и расчёты ступеней осевых турбин / М.Е. Дейч [и др.]. М.: Машиностроение. 1964. 628 с.

12. Мухтаров М.Х. Исследование вторичных потерь в прямых турбинных решетках // Труды ЦИАМ. 1974. № 614.

13. Nepomnyashchiy A.D., Suntsov, S.Y. Danilkin, V.P. Maslov Effect of Reynolds Number, Operating Mode, Turbulence Parameters on Profile and Secondary Losses of LPT // ICAS paper. 2016. ICAS2016-7.5.2-2016_0276.

14. Непомнящий А.Д., Сунцов С.В. Влияние числа Рейнольдса на профильные потери плоских турбинных решеток // Насосы. Турбины. Системы. 2016. №4 (21). С. 61 - 66.

15. Мухтаров М.Х. Экспериментальное исследование пограничного слоя в турбинных решетках при низких числах Рейнольдса // Теплоэнергетика. 1966. № 10.

16. Schrack D., Schneider C.M., Fraas M., Rose M.G., Staudacher S., Engel K. Unsteady Secondary Flow in a Low Pressure Turbine with Integrated 3D Design // ASME paper. 2013. No. GT2013-95700.

17. An Experimental Investigation of Steady and Unsteady Flow Field in an Axial Flow Turbine / Zaccaria M., Lakshminarayana B. Cleveland: Lewis Research Center. 1997. NASA CR-4778. 357 p.

18. Matsunuma T., Tsutsui Y. Effect of Low Reynolds Number on Wake-Generated Unsteady Flow of an Axial-Flow Turbine Rotor // International Journal of Rotating Machinery. 2005. Issue 1. P. 1 - 15.

19. Canepa E., Lengani D., Ubaldi M., Zunino P. An Experimental Investigation of the Reynolds Number Variation Effect on Rotor-Stator Interaction in an Axial Two-Stage Low Pressure Turbine // Proceedings of the 8th International Symposium on Experimental and Computational Aerothermodynamics of Internal Flows. Lyon. July. 2007.

20. Canepa E., Formosa P., Lengani D., Simoni D., Ubaldi M., Zunino P. Influence of Aerodynamic Loading on Rotor-Stator Aerodynamic Interaction in a Two-Stage Low Pressure Research Turbine // ASME Paper. 2006. No. GT2006-90753.

21. Chaluvadi V., Kalfas A.I., Hodson H.P. Vortex Transport and Blade Interactions in High Pressure Turbines // Journal of Turbomachinery. 2004. Vol. 126. P. 395-405.

22. Хинце И.О. Турбулентность. Ее механизм и теория // Перевод с английского О.В. Яковлевского; под редакцией Г.Н. Абрамовича. М: Физматгиз. 1963. 680 с.

23. Göttlich E., Marn A., Pecnik R., Malzacher F.J., Schennach O., Pirker H.P. The Influence of Blade Tip Gap Variation on the Flow Through an Aggressive S-Shaped Intermediate Turbine Duct Downstream a Transonic Turbine Stage - Part II: Time-Resolved Results and Surface Flow // ASME Paper. 2007. No GT2007-28069.

24. Боровик В.О. Определение высотно-скоростных характеристик ТРД по данным стендовых испытаний в условиях H = 0, Мп = 0 // Труды ЦИАМ. 1974. № 596.

25. Ланда Б.Ш., Михальцев В.Е. Влияние критерия Рейнольдса на пропускную способность и К.П.Д. турбин ГТД // Труды ЦИАМ. 1974. №596.

26. Haselbach F., Schiffer H.-P., Horsman M., Dressen S., Harvey N., Read S. The Application of Ultra High Lift Blading in the BR715 LP Turbine // ASME Journal of Turbomachinery. 2002. Vol. 124. P. 45-51.

27. Praisner T.J., Grover E.A., Knezevici D.C., Popovic I., Sjolander S.A., Clark J.P., Sondergaard R. Toward the Expansion of Low-Pressure-Turbine Airfoil Design Space // ASME Paper. 2008. No. GT2008-50898.

28. Popovic I., Zhu J., Dai W., Sjolander S.A., Praisner T., Grover E. Aerodynamics of a Family of Tree Highly Loaded Low-Pressure Turbine Airfoils: Measured Effect of Reynolds Number and Turbulence Intensity in Steady Flow // ASME Paper. 2006. No GT2006-91271.

29. Hura H.S., Joseph J., Halstead D.E. Reynolds Number Effect in a Low Pressure Turbine // ASME Paper. 2012. No GT2012-68501.

30. NASA/GE Energy Efficient Engine Low Pressure Turbine Scaled Test Vehicle Performance Report / M.J. Bridgeman, D.G. Cherry, J. Pedersen. Evendale: Lewis Research Center. 1983. NASA CR-168290. 243 p.

31. Мухтаров М.Х. Влияние числа Re на эффективность тепловых турбин // Теплоэнергетика. 1969. № 10. C. 60 - 64.

32. Solomon W.J. Performance Characteristics of a Reduced Solidity Low Pressure Turbine // ICAS Paper. 2002. No. 5.11.2.

33. Castner R., Chiappetta S., Wyzykowski J., Adamczyk J. An Engine Research Program Focused on Low Pressure Turbine Aerodynamic Performance // ASME Paper. 2002. No. GT2002-30004.

34. Sharma O.P. Impact of Reynolds Number on LP Turbine Performance // Minnowbrook II 1997 Workshop on Boundary Layer Transition in Turbomachines. 1998. NASA/CP-1998-206958. P. 65 - 69.

35. Sideridis A., Yakinthos K., Goulas A. Turbulent kinetic energy balance measurements in the wake of a low-pressure turbine blade // International Journal of Heat and Fluid Flow. 2011. Vol. 32. P. 212-225.

36. URL: http://www.kulite.com/docs/products/FAP-HT-250.pdf. (дата обращения 04.03.2016 г.)

37. Пешехонов Н.Ф. Приборы для измерения давления, температуры и направления потока в компрессорах. М.: Оборонгиз. 2009. 184 с.

38. Теория и применение цифровой обработки сигналов / Л. Рабинер [и др.]. М.: Мир. 1978. 848 с.

39. Roach P.E. The generation of nearly isotropic turbulence by means of grids // International Journal of Heat Fluid Flow. 1986. №8(2). P. 82-92.

40. Nepomnyashchiy A.D. Turbulence Measurements in a Flow Part of Turbomachines Using a High-Frequency Pressure Probe // ICAS paper. 2014. ICAS2014-7.4.3-2014_0252.

41. Непомнящий А.Д. О возможности исследования турбулентных характеристик потока при помощи высокочастотного зонда давления // Сборник тезисов Международного форума Двигателестроения «Научно-Технический Конгресс по Двигателестроению (НТКД-2014)», часть 2. Москва. 15 - 17 апреля 2014 г. С. 62.

42. Ледовская Н.Н., Степанов В.А., Макаренко С.И., Бендерский Л.А. Измерение пульсаций трех компонент потока с помощью четырехточечного насадка с малоинерционными датчиками давления // Теплотехника воздушного флота. 2015. №1. С. 38-47.

43. Непомнящий А.Д. О возможности использования высокочастотного зонда давления для измерения турбулентных характеристик потока в турбомашинах // Сборник тезисов Международного форума Двигателестроения «Научно-Технический Конгресс по Двигателестроению (НТКД-2016)». Москва. 19 - 21 апреля 2016 г. С. 71 - 72.

44. Nepomnyashchiy A.D., Tsvetkov I.V., Suntsov S.V., Danilkin S.Y. Performances of LPT and Linear Cascades at Low Reynolds Numbers // ICAS paper. 2018. ICAS2018-9.3.3-2018_0652.

45. Проведение измерений уровня турбулентности на входе в ТНД на стенде ТС-2 / Маркович Д.М. [и др.]. Новосибирск: Новосибирский Национальный Исследовательский Государственный Университет. 2015. № 3815/1. 38 с.

46. Иванов М.Я., Крупа В.Г., Курманов Б.И., Подвидз Г.Л. Исследование течений вязкого и теплопроводного газа в решетках и венцах турбомашин // Научный вклад в создание авиационных двигателей. М.: Машиностроение. 2000. Книга 2. С. 252 - 260.

47. Анализ результатов испытания экспериментальных решеток при низких числах Рейнольдса на установке У-300С ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова» / Максимов И.В. Пермь: Авиадвигатель. 2014. Техническая справка № 55456. 20 с.

48. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя // Перевод Г.А. Вольперта с пятого немецкого издания, исправленный по шестому (американскому) изданию; под редакцией Л.Г. Лойцянского. М.: Наука, 1974. 712 с.

49. Volino R.J. Separated Flow Measurements on a Highly Loaded Low-Pressure Turbine Airfoil // ASME Paper. 2008. No GT2008-51445.

50. Венедиктов В.Д., Непомнящий А.Д. Модернизация стенда У-300С ЦИАМ для испытания плоских турбинных решеток // Сборник тезисов Международного

форума Двигателестроения «Научно-Технический Конгресс по Двигателестроению (НТКД-2018)», том 1. Москва. 4 - 6 апреля 2018 г. С.167 - 169.

51. Венедиктов В.Д., Непомнящий А.Д. Исследование плоской решетки соплового аппарата при пониженных значениях числа Рейнольдса // Теплоэнергетика. 2011. № 9. С. 20 - 23.

52. В.Д. Венедиктов, А.Д. Непомнящий Исследование турбинных решеток на стенде У-300М при пониженных числах Рейнольдса // Сборник тезисов Международного форума Двигателестроения «Научно-Технический Конгресс по Двигателестроению (НТКД-2018)», том 1. Москва. 4 - 6 апреля 2018 г.

С.163 - 165.

53. Никурадзе И. Закономерности турбулентного движения в гладких трубах // Проблемы турбулентности. Под ред. М.А. Великанова и Н.Г. Швейковского. М.: ОНТИ НКТП. 1936. С. 75-150.

54. Montis M., Niehuis R., Fiala A. Aerodynamic Measurements on a Low Pressure Turbine Cascade with Different Levels of Distributed Roughness // ASME Paper. 2011. No. GT2011-45015.

55. Hoheisel H., Kiock R., Lichtfuss H.J., Fottner L. Influence of Free-Stream Turbulence and Blade Pressure Gradient on Boundary Layer and Loss Behavior of Turbine Cascades // ASME Journal of Turbomachinery. 1987. Vol. 109. No. 2.

P. 210-219.

56. Benyahia A., Castillon L., Houdeville R. Prediction of Separation-Induced Transition on High Lift Low Pressure Turbine Blade // ASME Paper. 2011. No. GT2011-45566.

57. Stotz S., Niehuis R., Guendogdu Y. Experimental Investigation of Pressure Side Flow Separation on the T106C Airfoil at High Suction Side Incidence Flow // ASME Paper. 2016. No. GT2016-56287.

58. Непомнящий А.Д. Обобщение экспериментальных данных продувок плоских турбинных решеток // Насосы. Турбины. Системы. 2016. № 4 (21). С. 56-59.

59. Krupa V., Ivanov M. Solution of Navier-Stokes Equations using high accuracy monotone schemes in Mathematical Models of Gas Turbine Engines and their Components // AGARD Lecture Series TCP 02/LS 198. 1994. P. 3-1 - 3-16.