Исследование радиальной структуры течения в многоступенчатом компрессоре на "расчетном" режиме

НАЦИОНАЛЬНЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. Н.Е.ЖУКОВСКОГО

"ХАРЬКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ"

КАФЕДРА ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И УСТАНОВОК

Л А Б О Р А Т О Р Н А Я   Р А Б О Т А

ИССЛЕДОВАНИЕРАДИАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ ТЕЧЕНИЯ

В МНОГОСТУПЕНЧАТОМ КОМПРЕССОРЕ

НА "РАСЧЕТНОМ" РЕЖИМЕ

Харьков 2001

При численном исследовании структуры потока в многоступенчатых компрессорах широко используются методы расчета осесимметричного течения через лопаточные венцы, позволяющие определять радиальное распределение газо-термодинамических параметров за венцами, суммарные характеристики, прогнозировать протекание характеристик при конструктивном изменении геометрии проточной части.

В основе современных моделей двумерного течения в компрессорах лежат следующие структурные элементы: расчет идеального потока; учет влияния вязких эффектов, включающий расчет потерь полного давления, углов отставания потока и загромождения проточной части пограничными слоями. В последние годы доказана необходимость учета обменных процессов между струйками тока. От способа учета свойств потока в существенной мере зависит точность математических моделей и область их практического использования.

Целью лабораторной работы является определение суммарных параметров шестнадцатиступенчатого компрессора стационарной газотурбинной установки ГТЭ-115 и радиальных эпюр параметров потока в различных сечениях вдоль тракта на режиме, близком к расчетному.

Численное исследование выполняется с использованием разработанного в ХАИ комплекса методов аэродинамического расчета компрессоров авиационных двигателей. В алгоритме используемого программного комплекса "РRОК" (поверочный расчет осевого компрессора) учтено влияние на структуру потока таких особенностей реального течения, как потери полного давления, турбулентное перемешивание газа по высоте межлопаточных каналов, вторичное движение, наличие пограничных слоев на поверхности корпуса и втулки. Также в ходе расчетов определяется граница области устойчивой работы компрессора, обусловленная возникновением вращающегося срыва в одной или нескольких ступенях.

Для оценки величины потерь и углов отставания потока используются обобщенные результаты продувок плоских и кольцевых решеток различной геометрии при разных условиях на входе. Учитываются профильные, вторичные, концевые потери и потери, вызванные перетеканиями в области радиального зазора. В используемых полуэмпирических зависимостях величины коэффициентов потерь, а также характер их распределения по высоте лопатки связываются с геометрическими параметрами венца и решетки на среднем радиусе, режимом работы ступени.

Опытные исследования течения в межлопаточных каналах лопаточных венцов и следах подтверждают существование переноса массы по высоте канала и, следовательно, изменение структуры потока вследствие турбулентного перемешивания. Результаты экспериментов указывают на наличие значительных пульсаций скорости в радиальном направлении, которые при определенных условиях могут быть соизмеримы с осредненными по времени значениями осевой составляющей. В рассматриваемой модели предполагается, что турбулентное перемешивание происходит под влиянием крупномасштабных пульсаций, которые вызваны всей совокупностью физических эффектов, генерирующих вторичное течение (например, перетекание жидкости в пограничном слое на поверхности лопаток, движение в следах, отрыв потока в двугранных углах и др.). Получены аналитические выражения, описывающие выравнивание исходной неравномерности осевой скорости, полного давления и температуры по высоте канала при движении среды вдоль тракта компрессора.

Наличие торцевого пограничного слоя оказывает существенное влияние на структуру течения и весь механизм преобразования энергии в ступени. В пристенной области на входе в рабочее колесо значительно возрастает окружная составляющая скорости и величина подведенной к потоку энергии. Однако из-за неблагоприятных условий работы лопатки в пограничном слое значительная доля подведенной энергии переходит в тепло, следствием чего является увеличение полной температуры и падение полного давления у поверхностей втулки и корпуса. В ходе вычислений величины параметров потока в пристенной области определяются в результате решения системы уравнений пространственного турбулентного течения вязкой несжимаемой жидкости. Используемые уравнения преобразуются к такому виду, в котором изменение интегральных параметров пограничного слоя (толщины вытеснения, толщины потери импульса) в явной форме связывается с интенсивностью вторичного движения, нагрузкой на лопатку, напряжением трения на ограничивающих поверхностях и рядом других факторов. После вычисления параметров пограничного слоя осуществляется учет влияния загромождения проточной части на течение в области основного потока.