Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Тепловые двигатели

Диссертационная работа:

Фасил Али Гугсса. Исследование аэродинамики отрывного диффузора камеры сгорания газотурбинного двигателя с целью снижения гидравлических потерь на основе физического эксперимента и численного моделирования : диссертация ... кандидата технических наук : 05.07.05 / Фасил Али Гугсса; [Место защиты: Рыбин. гос. авиац.-технол. акад.].- Рыбинск, 2008.- 137 с.: ил. РГБ ОД, 61 08-5/1374

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ 4

ВВЕДЕНИЕ 7

ГЛАВА 1.ОБЗОР РАБОТ ПО ОРГАНИЗАЦИИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА
КС АВИАЦИОННЫХ ГТД И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ
ИССЛЕДОВАНИЯ 11

  1. Рабочий процесс современных поточных КС и его проблематика 11

  2. Типы диффузоров КС и их характеристики 14

  3. Влияние геометрических и режимных параметров на характеристики отрывных диффузоров 28

Выводы по главе 46

ГЛАВА 2.ДВУХМЕРНОЕ ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЕ
В ОТРЫВНОМ ДИФФУЗОРЕ 49

2.1 Постановка задачи, расчетная область и граничные условия 49

2.2 Результаты двухмерного численного моделирования течения в
отрывном диффузоре 52

Вывод по главе 59

ГЛАВА 3.МЕТО ДИКА ЭКСГШРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
И СТЕНД ДЛЯ ЕЁ РЕАЛИЗАЦИИ 61

3.1 Методика экспериментального исследования 61

3.2 Экспериментальный стенд, измеряемые параметры и препарация
объекта исследования 74

  1. Обработка результатов эксперимента 76

  2. Метрологическое обеспечение стенда и оценка погрешности средств измерения 78

Выводы по главе 86

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
АЭРОДИНАМИКИ ОТРЫВНОГО ДИФФУЗОРА 87

  1. Влияние распределения расходов воздуха между кольцевыми каналами 87

  2. Влияние осевого положения обтекаемой жаровой трубы по отношению к выходному сечению отрывного диффузора 98

4.3 Влияние степени раскрытия преддиффузора 104

4.4 Влияние числа Рейнольдса на характеристики отрывного
диффузора 110

4.5 Математическая обработка результатов эксперимента и их
анализ 110

Выводы по главе 112

ГЛАВА 5. ТРЕХМЕРНОЕ ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
АЭРОДИНАМИКИ ТЕЧЕНИЯ В ОТРЫВНОМ ДИФФУЗОРЕ И МЕТОДИКА
ЕГО ПРОЕКТИРОВАНИЕ 114

5.1 Постановка задачи, математическая модель и граничные
условия 114

5.2 Результаты трёхмерного численного моделирования течения в
отрывном диффузоре 119

5.3 Анализ результатов расчета и их верификация по экспериментальным
данным 121

5.4 Методики проектирование отравного диффузора 122

Выводы по главе 127

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 127

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 129

4 СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

L — длина, образующей стенки диффузора, м;

AR- высота кольцевого канала, м;

F - площадь поперечного сечения, м ;

W - высота жаровой трубы, м;

R — радиус в коническом диффузоре, м;

0 - половина угла раскрытия, наклона стенки преддиффузора, град.;

G, Gf — массовый расход воздуха и топливо соответственно, кг/с;

Lo- теоретическое необходимое количество воздуха для сжигания 1кг топлива

F - относительная (безразмерная) площадь;

Ср - коэффициент восстановления статического давления;

L - относительная безразмерная длина кольцевого диффузора;

S коэффициент распределения расходов воздуха;

S - расчетный коэффициент распределения расходов;

а - коэффициент избытка воздуха и угл раскрытия преддиффузора, град.;

ц/ — коэффициент кинетической энергии профиля скорости;

4 — коэффициент гидравлических потерь;

D - расстояние между головкой жаровой трубы и выходным сечением

преддиффузора, м;

р - плотность, кг/м"';

U — расходная, осевая компонента скорости, м/с;

Е - параметр профиля скорости;

В — параметр затенения проходного сечения;

С *— максимальный коэффициент восстановления давления на заданной длине;

С **— максимальный коэффициент восстановления давления при заданном

отношении площадей поперечных сечений;

5* —толщина вытеснения пограничного слоя, м;

5 - толщина потери импульса пограничного слоя, м;

8 — толщина пограничного слоя, м;

г\ - коэффициент полезного действия диффузора;

а - коэффициент относительных потерь полного давления;

Н— формпараметр пограничного слоя;

Т — термодинамическая температура, К;

Q - объемный расход, м /с;

т - время, с;

V - скорость, м/с;

D - относительно осевой размер области внезапного расширения

преддиффузора

h — высота столба жидкости, м;

Ф — угол в плоскости xz,;

5 - угол в плоскости yz,

п — степень расширения диффузора, отношение площадей;

v - кинематическая вязкость, м7с; \

Ар - потери полного давления в диффузоре, Па;

р — статическое давление, Па;

q - скоростной напор (динамическое давление), Па;

є — коэффициент турбулентной вязкости;

С — безразмерный коэффициент давления;

Re - число Рейнольдса;

X — приведенная скорость;

к - кинетическая энергия турбулентности, м /с";

ю — частота турбулентных пульсаций, 1/с;

т - касательные напряжения трения, Па;

і — удельная энтальпия, Дж/кг;

t - время, с;

ц, - турбулентная вязкость, м /с;

М - число Маха;

R - удельная газовая постоянная, Дж/кг. К;

к - показатель адиабаты;

ГТД - газотурбинные двигатели ;

КС - камера сгорания;

Подстрочные индексы

  1. вх — параметры на входе в диффузор;

  2. вых - параметры на выходе из диффузора; о - параметры наружного тела диффузора;

і - параметры внутреннего тела диффузора

ср - среднее значение;

«-» - безразмерные относительные величины;

ид - течение идеальное, гладкое, без потерь;

max - максимальное значение величины;

эф - эффективные параметры;

зат — затененная

нар - параметр в наружном канале;

вн - параметр во внутреннем канале;

m - максимальное значение величины;

х - значение величины на расстоянии х от входа в канал;

д - значение величины соответствующее диффузору.

расч — расчетное значение величины;

Надстрочные индексы

~ - относительная величина; * — параметр торможения.

Введение к работе:

Газотурбинные двигатели в течение многих десятилетий являются основными силовыми установками в авиации. В последнее время они находят все большее применение в качестве силовых установок на судах и тепловозах, грузовых автомашинах, автобусах, танках и т.д. Все шире газотурбинные установки используются для привода газоперекачивающих агрегатов (ГПА) энергоустановок. Это привело к тому, что производство газотурбинных двигателей стало одной из ведущих отраслей индустриально развитых стран мира. Не стоит большого труда заметить рост важности этой отрасли в наиболее промышленно-значимых, а так же развивающихся странах мира.

Организация рабочего процесса КС существенно отличается от других топливо сжигающих устройств, применяемых в технике. Важными требованиями, предъявляемыми к камерам сгорания ГТД любого класса, являются высокая полнота сгорания, низкий уровень гидравлических потерь, обеспечение заданных профилей распределения параметров потока на выходе.

Для снижения скорости воздуха после компрессора в большинстве современных камер сгорания используется отрывной диффузор, который состоит из плавно расширяющегося преддиффузора с углом раскрытия до 12 и следующего за ним внезапного расширения [1,3,4,30]. Процесс преобразования кинетической энергии потока в потенциальную энергию давления в диффузоре связан с ростом энтропии за счет диссипации части энергии, вызванной различными факторами (потери на трение, вихреобразование, отрыв потока), а любые потери полного давления в диффузоре - это увеличение гидравлического сопротивления камеры сгорания. Течение в диффузоре неустойчиво, так как в связи с противоположным направлением действия сил давления и инерции происходит быстрое нарастание толщины пограничного слоя, что приводит к раннему отрыву потока и образованию зон с возвратным течением у одной или обеих стенок [22, 32, 33]. Этот процесс сопровождается

резким увеличением потерь полного давления. Кроме того, поле скорости за диффузором в этом случае становится существенно неравномерным, что усложняет обеспечение надежного охлаждения стенок жаровой трубы и требуемого поля температур перед турбиной [10,36].

Оптимизация конструкции отрывного диффузора камеры сгорания возможна, если известна информация о совместном влиянии основных режимных и геометрических параметров (степени расширения преддиффузора, положения жаровой трубы, распределения расходов воздуха между кольцевыми каналами) на эффективность диффузора и камеры сгорания. Аналитическое решение задачи в каналах сложной геометрии сопряжено со значительными трудностями. В связи с этим, получить необходимую информацию о причинно-следственных взаимосвязях течения с выбранным режимом и конкретной геометрией можно двумя методами - численным решением задачи с использованием имеющихся пакетов прикладных программ и постановкой тщательно спланированного многофакторного эксперимента. Такой комплексный подход позволит получить необходимые данные для верификации численных методов и даст возможность разработки адекватной математической модели отрывного диффузора.

Обозначенные проблемы послужили толчком к переосмыслению роли диффузора в рабочем процессе современной камеры сгорания. В результате чего, все больше внимания уделяется вопросам оптимизации этого узла, поиску путей повышения его эффективности и разработке методик проектирования. В настоящее время методика проектирования отрывных диффузоров не разработана вследствие отсутствия экспериментальных данных по влиянию различных режимных и геометрических параметров на их эффективность [20, 27—29,30]. Для разрешения указанных проблем требуется проведение исследований, направленных на выявление определяющих факторов и их совместного влияния на газодинамические параметры отрывного диффузора. Необходимо получить критериальные уравнения, позволяющие оценить

влияние геометрических и режимных факторов на эффективность такого диффузора. Выбранная тема, направленная на совершенствование рабочего процесса современных авиационных двигателей за счет оптимизации аэродинамики проточной части камеры сгорания достаточно актуальна и перспективна. Сокращение длины КС, а, следовательно, и веса, снижение потерь в КС и обеспечение требуемых полей распределения параметров пред турбиной - факторы, способствующие созданию техники последующих поколений.

Методы исследований

Для решения постановленных задач использованы теоретические методы расчета геометрии отрывного кольцевого диффузора, методы численного моделирования турбулентных течений, статистического анализа, экспериментальные исследования на газодинамическом стенде.

Достоверность и обоснованность полученных результатов

Достоверность и обоснованность полученных результатов достигается корректным применением соответствующих математических положений и законов и обеспечивается корректным выбором методики проведения эксперимента, применением измерительных приборов с необходимой калибровкой и поверкой метрологического оборудования. Достоверность результатов подтверждается удовлетворительным совпадением данных численных расчетов с результатами опытных исследований, а так же совпадением при сравнении с данными, полученными другими исследователями.

10 На защиту выносятся:

Результаты численных и экспериментальных исследований;

Критериальная модель расчета отрывного кольцевого диффузора;

Методика проектировочного расчета геометрии отрывного кольцевого диффузора.

Научная новизна работы:

Проведено комплексное численное и опытное исследование аэродинамики отрывного кольцевого диффузора КС ГТД, позволившее отработать геометрию канала по минимуму гидравлических потерь и создана критериальная математическая модель расчета геометрии отрывного кольцевого диффузора, погрешность расчета потерь полного давления по которой не превышает 2,7%, а восстановление статического давления 3,5% соответственно.

Практическая ценность

Экспериментальные данные и созданная математическая модель для исследования характеристик отрывного диффузора позволяет сократить время разработки и доводки энергетических установок, с кольцевыми камерами сгорания. Полученные результаты могут быть использованы в процессе проектирование отрывных кольцевых диффузоров и их доводки с минимизации гидравлических потерь.

Подобные работы
Демин Алексей Владимирович
Развитие методов численного моделирования процессов в камерах сгорания тепловых двигателей и энергоустановок
Варсегов Владислав Львович
Исследование и разработка модульных фронтовых устройств со струйно-механическими стабилизаторами пламени применительно к укороченным прямоточным камерам сгорания газотурбинных двигателей и энергоустановок
Павлов Григорий Иванович
Разработка наукоемкой технологии по термическому обезвреживанию отходов разного класса опасности на основе особенностей неустойчивого горения в камерах сгорания ракетных двигателей
Демин Алексей Владимирович
Развитие методов численного моделирования процессов в камерах сгорания тепловых двигателей и энергоустановок
Яксон Ирина Александровна
Конвективный теплообмен в цилиндре поршневого двигателя с открытой камерой сгорания
Кутыш Дмитрий Иванович
Оптимизация геометрических и газодинамических параметров устройства двухступенчатого смешения топлива и воздуха малоэмиссионной камеры сгорания конвертированного авиационного двигателя
Лапицкий Владимир Иванович
Математическое моделирование и экспериментальное исследование характеристик камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя малой тяги на метане и кислороде
Мединг Крис
Создание расчетных методов для определения параметров камеры сгорания и смесительных элементов двигателей с дожиганием
Павлов Александр Анатольевич
Совершенствование гидродинамики течения жидкости в системе охлаждения двигателя внутреннего сгорания с целью улучшения температурного состояния теплонапряженных деталей
Каплунова Ирина Матвеевна
Выбор рациональных динамических характеристик измерителя давления с целью повышения эффективности диагностирования двигателей внутреннего сгорания

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net