Расчётное исследование характеристик противоточной камеры сгорания малоразмерного ГТД с учетом влияния компрессора и турбины

гетических машинах осложняется большим разнообразием типов применяемых КС и относительно малая размерность конструктивных элементов [9, 10, 11].

На основе данных термогазодинамического расчёта газогенератора выполнялся одномерный проектировочный расчёт КС, в результате определена конструктивная схема, основные габариты и закон распределения воздуха [10, 12, 13, 14]. В итоге был получен облик КС, компоновочная схема которой в составе МГТД показана на рис. 1.

При построении расчётной модели КС с целью сокращения затрат времени на вычисления, выделен периодический сектор камеры сгорания, ограниченный продольными плоскостями, расположенными под углом 450друг к другу. Сгенерированная сеточная модель - трёхмерная, неструктурированная, с общим количеством элементов – 4,4 млн. (рис. 2).

Внутренним инструментом программного комплекса ANSYS было выполнено сгущение сетки на элементах, таких как форсунки, кольца жаровой трубы, воздушные карманы и отверстия, для достижения качественных характеристик сеточной модели.

Для автономного расчёта изменения параметров в проточной части камеры сгорания использовался программный пакет Ansys Fluent.В качестве модели турбулентности была выбрана полуэмпирическая модель k- ε Realizable [4, 5, 6]. В процессе расчета определялись следующих характеристики:

• -    картины течения в камере сгорания;

• -    поля скоростей и давлений в характерных сечениях;

• -    потери полного давления по длине камеры сгорания;

  

  Рис 1. Компоновочная схема МГТД

  
  
  

  Рис. 2. Готовая сеточная модель

  
  

• -    поля температур на выходе из камеры сгорания.

Расчёт камеры сгорания совместно с турбиной и сопловым аппаратом осложняется тем, что выделенные в плоскостях, перпендикулярных оси двигателя периодичные сектора каждого элемента, в местах их стыковки (КС с СА и затем СА с турбиной), различны. Так, для КС и СА соотношение секторов составляло 8 к 27, а для СА и турбины 27 к 15. Для решения возникшей проблемы использовалось внутреннее средство программы ANSYS CFX, с помощью которого программа автоматически накладывала условие периодичности на каждый расчётный сектор без осреднения данных.

В результате расчётов были получены поля скоростей, давлений и температуры, которые качественно схожи с данными автономного расчёта (рис. 3). Однако, при этом имеют место количественные расхождения в локальных зонах. На- пример, скорость воздуха на выходе из КС при расчёте с турбиной оказалась ниже, чем в автономном расчёте, что может быть обусловлено влиянием поворота потока в сопловом аппарате и подпором турбины.

Так же при учёте турбины выявлено падение перепада давления на стенке жаровой трубы. Потери полного давления в камере сгорания при расчёте с турбиной возросли до 5,6% против 4,1% при автономном расчёте.

Зона с высокой температурой в жаровой трубе КС случае автономного расчёта имеет большую длину (рис. 4), а радиальная неравномерность распределения температуры оказалась меньше. Это является следствием меньшей глубины проникновения струй вторичного воздуха и соответственно ухудшающимися условиями перемешивания продуктов сгорания с разбавляющим их воздухом.

На следующем этапе работы при расчёте ка-

Рис. 3. Поле скорости:

а – при расчете с сопловым аппаратом и турбиной; б – при индивидуальном расчете КС

Рис. 4. Поле температуры:

а – при расчете с сопловым аппаратом и турбиной; б –при индивидуальном расчете КС

меры сгорания дополнительно к сопловому аппарату и турбине проводился учёт влияния компрессора. Неравномерность значений параметров потока, возникающая за компрессором, на входе в КС задавалась полиномом пятой степени. Моделируемая таким образом эпюра давления представлена на рис. 5. Из-за наличия на входе в камеру спрямляющих лопаток, закрутка потока не моделировалась.

Полученные расчётные данные показали, что по сравнению с предыдущим совместным расчётом КС с СА и турбиной скорость на выходе из КС увеличилась, а глубина проникновения струй снизилась. Зона с высокими температурами в жаровой трубе стала больше, что объясняется снижением глубины проникновения струй и как следствие, меньшим влиянием поступающего с ними холодного воздуха на продукты сгорания.

Сравнение эпюр неравномерности поля температуры на выходе из КС показывает (рис. 6), что локальные забросы температуры, имеющие место при расчётах камеры сгорания совместно с турбиной и совместно с компрессором и турбиной, в значительной степени изменяют её вид по отношению к автономному расчёту. На практике неучёт такой особенности (фактического роста максимального значения температур за КС), может стать причиной прогорания лопаток турбины МГТД.

Таким образом, выполненное исследование показало, что результаты расчётов КС с учётом эффекта от компрессора и турбины качественно и количественно отличаются от результатов автономного расчёта камеры сгорания.

Полученные данные позволяют предложить отличную от существующей методику проекти-

Рис. 5. Эпюра неравномерности поля на входе

Рис. 6. Эпюра неравномерности поля температуры на выходе из КС

рования КС, алгоритм которой представлен на рис. 7. В соответствии с этой методикой вначале, на основе данных термогазодинамического расчёта ГТД выполняется одномерный проектировочный расчёт КС, в ходе которого определяются с ее конструктивной схемой, основными габаритами, выбирают закон распределения воздухов и т.д. В конце этого этапа получают облик КС. Далее с использованием САЕ-систем проводят поверочный расчёт КС, в ходе которого оценивают основные характеристики КС, такие как неравномерность поля температур на выходе, потери полного давления и т.д. Если оказывается, что данные характеристики примерно соответствуют требованиям технического задания, то далее проводится расчётная доводка КС в составе газогенератора. При этом конструкция КС доводится с учетом влияния соседних узлов.

В ходе выполненного исследования были получены следующие результаты:

• 1.    Разработана новая методика моделирова-

• ния рабочего процесса КС МГТД, позволяющая осуществлять учёт влияния на характеристики камеры сгорания соседних узлов (компрессора и турбины) без осреднения параметров по сечениям тракта.

• 2.    В расчете камеры сгорания совместно с турбиной выявлено, что эпюра неравномерности поля температур на выходе из КС по своему характеру сильно отличается от аналогичной эпюры, полученной при автономном расчёте КС, что необходимо учитывать при проектировании КС.

• 3.    Установлено, что неравномерность параметров потока на выходе из компрессора существенно влияет на характеристики КС в составе газогенератора.

• 4.    При расчете камеры сгорания в составе газогенератора установлено, что её характеристики отличаются от характеристик, полученных в автономном расчёте и в расчёте КС совместно с турбиной, что свидетельствует об актуальности расчёта КС в составе газогенератора.

  

  Рис. 7. Алгоритм проектирования КС малоразмерного ГТД