ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОТБОРА ВОЗДУХА НА СТРУКТУРУ ТЕЧЕНИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ МНОГОСТУПЕНЧАТОГО ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА

Отбор воздуха из проточной части компрессора газотурбинного двигателя; осуществляемый практически на всех режимах для охлаждения горячих элементов проточной части, наддува полостей, кондиционирования салона и др. оказывает влияние на работу его ступеней. На пониженных частотах вращения в целях обеспечения запасов устойчивости, включают перепуск воздуха через соответствующие клапаны (КПВ), что также приводит к изменению термогазодинамических параметров течения в компрессоре, особенно вблизи клапанов.

Режимы работы компрессоров с перепуском или отборами воздуха являются на сегодняшний день малоизученными. Как правило, изменение расхода воздуха в проточной части не принимается во внимание при проектировании лопаточных венцов и проведении поверочных расчетов. Количество отбираемого воздуха часто также не является строго регламентированным. В то же время отбор (перепуск) воздуха из проточной части приводит к изменению структуры течения в компрессоре, перераспределению нагрузок между ступенями, изменению их КПД и запасов газодинамической устойчивости. Поэтому исследование таких режимов как экспериментальными, так и расчетными методами представляет интерес.

В ХАИ в лаборатории Аэродинамики компрессоров кафедры Теории авиационных двигателей разработан метод поверочного аэродинамического расчета, реализованный в соответствующем комплексе программ ПК AxSym, который позволяет исследовать до-, транс- и сверхзвуковое течение в многоступенчатых осевых компрессорах в предположении осевой симметрии [1]. Естественным развитием этих работ является усовершенствование метода расчета, расширяющее область его возможного применения на случай течения с отбором (перепуском) рабочего тела из проточной части [2].

В основе метода лежит описание течения в меридиональной плоскости в осесимметричной постановке с использованием уравнений Эйлера, записанных в стационарной форме во вращающейся равномерно системе координат. Использование обобщенных координат (?), рис. 1, позволяет упростить постановку граничных условий и решение задачи. Ось этой системы совпадает с окружным направлением, а оси и в меридиональной плоскости — с границами области интегрирования.

Использование функции тока дает возможность свести систему уравнений к дифференциальному уравнению второго порядка в частных производных.

В уравнение движения, записанное в энергетической форме, введен косвенный учет проявления вязких эффектов:

Задача ставится в физической области ABCD, рис. 1. На границах AB и CD задается либо распределение расхода (функции тока), либо угла наклона линий тока к оси турбомашины по радиусу. На втулочной поверхности AD задается условие непротекания, функция тока. На периферийной поверхности на участках BE и GC, также задаются условия непротекания, однако функция тока имеет на этих участках разные значения. На участке BE, на участке GC, где —количество отбираемого воздуха, отнесенное к величине расхода на входе. На участке отбора EG функция тока задается полиномиальной зависимостью, при определении коэффициентов которой в точках E и G ставятся условия непрерывности функции.

Для выполнения поверочного расчета компрессора необходимо задать геометрические параметры проточной части и лопаточных венцов, режим работы по расходу и частоте вращения, расположение КПВ, расход перепускаемого воздуха, а также распределения по радиусу полной температуры, давления и величины закрутки или угла потока (r) во входном сечении.

Численная реализация решения системы уравнений и особенности расчета трансзвуковых режимов представлены в работе [3]. Учет проявления вязких свойств течения осуществлен с использованием обобщенных результатов экспериментальных исследований. Некоторые результаты апробации метода расчета течения в компрессоре при открытых клапанах перепуска приведены в работе [4].

Расчетное исследование структуры течения в многоступенчатом осевом компрессоре современного авиационного двигателя, результаты которого представлены ниже, проведено в два этапа. В начале выполнен расчет течения при закрытых клапанах перепуска, который сопровождался детальным сопоставлением полученных результатов с опытными данными. Это позволило создать двумерную модель исследуемого компрессора, на базе которой на следующем этапе осуществлено исследование течения на пониженных частотах вращения при открытых клапанах перепуска, расположенных за НА четвертой ступени.

При моделировании течения поле полных температур и давлений на входе в компрессор принято равномерным и соответствующим стандартным атмосферным условиям (Т=288 К, Р=101325 Па).

На рис. 2 показаны суммарные характеристики компрессора, полученные расчетным путем, в зависимости от расхода воздуха на входе, представленные в безразмерном виде ( ,, р - расчетный режим). Там же приведена полученная расчетным путем граница области устойчивых режимов работы компрессора. Как видно из рисунка, наличие перепуска незначительно сдвигает ветви характеристики в сторону увеличения расхода воздуха через компрессор, однако в связи с изменением положения линии рабочих режимов (ЛРР) компрессора запасы устойчивости возрастают.

Более существенно характеристики компрессора "расслаиваются", если их представить в виде зависимости от расхода воздуха на выходе ( ) рис. 3. При этом открытие клапанов сдвигает характеристику компрессора влево, в сторону меньших расходов.

Отбор воздуха из проточной части приводит к снижению КПД компрессора, так как часть энергии, переданной потоку, уходит с рабочим телом через клапаны перепуска. В частности, проведенные расчеты показали, что на режиме =0.88 при =10% максимальное значение изоэнтропического КПД компрессора падает на 10%.

Далее представлены результаты исследования влияния отбора воздуха за НА 4 ступени на течение в компрессоре при =0.88 в точках 1 и 2 характеристики, рис. 2, соответствующих линии рабочих режимов. Величина перепуска составляла 10 % от Gв.

Открытие клапанов приводит к перестроению течения в проточной части.

На рис. 4 показаны линии тока в исследуемом компрессоре при наличии перепуска воздуха. Вблизи КПВ линии тока искривляются и устремляются к периферии, где часть расхода рабочего тела уходит из проточной части компрессора.

Деформация линий тока отражает сильное влияние перепуска на структуру течения в лопаточных венцах. Так на рис. 5 приведены радиальные эпюры полных температур и давлений за направляющими аппаратами компрессора в точках 1 и 2 характеристики. Изменение формы распределения параметров по высоте лопатки связано с отбором массы рабочего тела и падением скорости потока на периферии после КПВ, см. рис. 6., причем до открытого клапана перепуска течение носит ускоренный характер по сравнению со случаем, когда КПВ закрыты. Скорость потока растет по мере приближения к клапану. После отбора рабочего тела скорости в проточной части резко падают, что в свою очередь приводит к изменению углов натекания.

Рис. 7 иллюстрирует снижение углов натекания на рабочие колеса перед клапанами перепуска и резкий рост углов натекания в периферийной области после КПВ. В соответствии с полученными результатами углы натекания на лопатки РК при работе с открытыми клапанами возрастают до +15 в периферийной области, что, естественно, приводит к росту нагрузки на лопатки, которая является нестационарной, а также к отрыву потока в этой области, что в свою очередь может быть причиной нарушения устойчивости течения.

Характер течения в компрессоре существенно зависит от количества перепускаемого воздуха. Чем больше величина, тем большая часть лопатки ступени, расположенной за КПВ, оказывается в области больших положительных углов натекания.

Приведенные выше результаты численного моделирования течения в многоступенчатом осевом компрессоре на режимах с перепуском воздуха позволяют сделать следующие выводы.

Течение в компрессоре, его суммарные параметры в значительной степени зависят от количества перепускаемого (отбираемого) воздуха. Поэтому оно должно быть строго регламентировано.

Наличие перепуска (отбора) меняет условия обтекания лопаточных венцов, особенно вблизи места отбора. Возможно появление больших положительных углов натекания на лопаточные венцы, расположенные ниже по потоку от места отбора (перепуска). Поэтому при проектировании многоступенчатых машин следует обратить особое внимание на обтекание таких ступеней и учитывать наличие отбора путем специального профилирования периферийных областей

Труды XIII международной научно-технической конференции по компрессоростроению. Сумы 2004