АКТУАЛЬНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ В ЭЛЕМЕНТАХ ГТД

​АННОТАЦИЯ

В статье обоснована актуальность и целесообразность применения экспериментальных установок, для гидродинамического исследования процессов, протекающих в элементах ГТД. Представлены их основные элементы. Показаны основные объекты исследования.

ABSTRACT

The article substantiates the relevance and feasibility of using experimental installations for hydrodynamic research of processes occurring in gas turbine engine elements. Their main elements are presented. The main objects of research are shown.

Ключевые слова: экспериментальная установка; газотурбинный двигатель; визуализация течения; ступень осевого компрессора.

Keywords: experimental setup; gas turbine engine; flow visualization; axial compressor stage.

Несмотря на бурное развитие теоретических методов, потребность в проведении экспериментальных исследований с развитием авиационных двигателей остается высокой. Это объясняется учетом нестационарности процесса обтекания лопаточных венцов в компрессоре современных моделей турбулентности лишь приближенно [1].

Решение задачи совершенствования рабочего процесса в элементах авиационных двигателей с целью улучшения их параметров является одним из путей решения общей актуальной проблемы повышения эффективности ГТД [2].

Например, накопленный опыт показывает, что для её решения требуются теоретические и экспериментальные исследования особенностей аэродинамики ступеней осевых компрессоров. Особый интерес в настоящее время представляет исследование пристенных течений, которые являются малоизученными и существенно влияющими на характеристики осевых компрессоров [3].

Одним из информативных видов исследований течений рабочего тела в элементах ГТД является их визуализация. Например, скоротечность процессов, протекающих в реальных лопаточных венцах, делает затруднительным визуализацию течения рабочего тела. По этой причине основные экспериментальные исследования особенностей течения рабочего тела в ступенях компрессора, газовой турбины проводятся на модельных установках, где могут использоваться различные рабочие тела, а сами испытания проводятся при скоростях и параметрах потока, существенно отличающихся от натурных.

Исследование особенностей течения рабочего тела в ступенях осевых компрессоров возможно с помощью методов «подкрашенных струек» и «поверхностной визуализации», при этом в качестве рабочего тела может применяться вода. Главное достоинство таких методов – отсутствие необходимости введения каких-либо зондов, в той или иной степени возмущающих поток. Несмотря на существенные ограничения, эти методы полезны для получения первичной информации о характерных особенностях течения, которая иногда оказывается достаточной для понимания сущности изучаемого явления [4].

Например, в труде Н. Е. Жуковского, изданного в 1937 г. [5] установлено, что при скорости много меньшей скорости звука газы считаются упругими жидкостями и сжимаемость их практически не проявляется, то есть существует возможность проведения экспериментального исследования с рабочим телом вода.

В труде [6] представлены результаты визуализации течения не только в решетках профилей осевых компрессоров, но и газовых турбин, проведенной на экспериментальных установках.

В основном для экспериментального исследования течения рабочего тела в лопаточных венцах осевых компрессоров могут использоваться гидротрубы, гидролотки и гидроканалы с установкой в них объекта исследования – решетки профилей осевого компрессора, газовой турбины.

Установка «Гидролоток» позволяет получить картину течения рабочего тела (вода) в решетке профилей осевого компрессора или газовой турбины. 

Основные элементы установки «Гидролоток»: 1 – объект исследования, 2 – воздуходувка, 3 – устройство для проецирования результатов исследования на экран 5, 4 – емкость для воды. Предназначение конструктивных элементов ясно из их названия.

На рисунке 2 представлен гидролоток более сложной конструкции, описанный в труде [7], где 1 – напорный бак, 2 – расходный бак, 3 – заслонка перепуска воды, 4 – электропривод, 5 – сливной бак, 6 – русло, 7 – силовые балки, 8 – подкос управления наклоном русла, 9 – винтовая пара, 10 – редуктор, 11 – насос, 12 – дроссельная заслонка, 13 – электромеханизм кольцевания, 14 – трубопровод кольцевания, 15 – силовая рама, 16 – пяты регулируемой высоты, 17 – пульт дистанционного управления, 18 – система подкрашивания жидкости, 19 – резиновый фартук, 20 – кран слива. Предназначение конструктивных элементов ясно из их названия.

Рисунок 1. Гидролоток

Рисунок 2. Гидролоток

В ходе проведения эксперимента в русле гидролотка размещается исследуемая модель. Посредством подачи воды в напорный бак осуществляется поступление жидкости через расходный бак в русло гидролотка. Отработавшая жидкость из русла гидролотка поступает в сливной бак. Затем из сливного бака вода либо поступает обратно в напорный бак через трубопровод кольцевания, либо имеется возможность визуализировать структуру течения в определённой области. Также данная экспериментальная установка включает в себя заслонку перепуска воды из напорного бака в расходный. Путём отклонения данной заслонки имеется возможность увеличивать или уменьшать расход воды в процессе эксперимента. В гидролотке исследовалась модель основной камеры сгорания ГТД [7].

В ходе проведения эксперимента в русле гидролотка размещается исследуемая модель. Посредством подачи воды в напорный бак осуществляется поступление жидкости через расходный бак в русло гидролотка. Отработавшая жидкость из русла гидролотка поступает в сливной бак. Затем из сливного бака вода либо поступает обратно в напорный бак через трубопровод кольцевания, либо имеется возможность визуализировать структуру течения в определённой области. Также данная экспериментальная установка включает в себя заслонку перепуска воды из напорного бака в расходный. Путём отклонения данной заслонки имеется возможность увеличивать или уменьшать расход воды в процессе эксперимента. В гидролотке исследовалась модель основной камеры сгорания ГТД [7].

На рисунке 3 показаны картины течения, полученные путем визуализации течения в решетке профилей, рисунок 3а, 3б, и модели основной камеры сгорания, рисунок 3в, при проведении эксперимента в гидролотках. где картины течения, полученные при проведении исследования путем визуализации течения в: а), б) – решетка профилей осевого компрессора, в) – модель камеры сгорания

Необходимо отметить, что большинство результатов исследований, описанных в работе [6], получены при проливках плоских компрессорных решеток в гидролотках, тогда как существует необходимость исследования течения с учетом изменения параметров рабочего тела по высоте пера лопатки на различных режимах работы (вращения) рабочего колеса.

Рисунок 3. Картины течения, полученные при проведении экспериментав гидролотках

В настоящее время имеется некоторое расхождение между потерями, полученными при исследовании компрессорных решеток в статических условиях, и потерями для тех же решеток в рабочих условиях (при вращении). При статических исследованиях поток будет стационарным, а ось кромочного следа первой решетки совпадает с направлением основного потока. В турбомашине угол между осью следа и основным потоком равен углу между абсолютной и относительной скоростями. Таким образом, при статических испытаниях не удается смоделировать реальные явления.

Изменение скоростей и направление потока рабочего тела влияет на обтекание компрессорных решеток и величину потерь (профильных, на трение и вихреобразования и т.д.), которые не могут быть оценены по результатам статических испытаний компрессорных решеток. Это осложняется еще и тем, что в корневом и периферийном сечениях лопаточного аппарата ступени практически всегда возникают или подсос, или утечка рабочего тела, на которые сильно влияют разность высот лопаток и величина зазоров [8].

Для исследования течения в рабочих колесах лопаточных машин применения гидролотков с неподвижными лопаточными венцами недостаточно, необходимо проводить исследование вращающихся рабочих колес.

Экспериментальная установка «Гидробассейн», рисунок 4, дает возможность проводить исследования течения не только решетки профилей осевого компрессора, рисунок 4.

Основные элементы гидробассейна: 1 – силовые элементы гидробассейна (стальные уголки), 2 и 3 – силовые элементы гидробассейна (листовая сталь),  4 – боковые стенки гидробассейна, выполнены из органического стекла,  5 – силовые элементы (упорные уголки), 6 – пульт управления, 7 – объект исследования (решетка профилей осевого компрессора).

В конструкцию гидробассейна входят:

• система наполнения гидробассейна рабочим телом (жидкостью) предназначена для подачи рабочего тела (жидкости) во внутреннюю полость гидробассейна, его заполнения и для регулирования в нем заданного уровня жидкости;
• система кольцевания рабочего тела (жидкости) предназначена для течения рабочего тела с минимальными потерями энергии в каналах в районах их изгибов, а также, для поддержания постоянного уровня воды в гидробассейне при проведении экспериментальных исследований;
• система слива жидкости из гидробассейна предназначена для обеспечения проведения экспериментальной части с применением подкрашивающей жидкости, а также для слива жидкости из подсистем после проведения экспериментов;
• осветительная аппаратура предназначена для подсветки места проведения экспериментальной части в гидробассейне для наблюдения и проведения качественной съемки цифровыми фотоаппаратами хода экспериментов;
• система подкрашивания жидкости позволяет производить подвод раствора жидкости с растворенной в ней тушью к выходным отверстиям в объекте исследования и позволяет наблюдать картину течения в объекте исследования;
• устройство крепления объекта исследования предназначено для закрепления объекта исследования на специальные механизмы и их поддержания на заданных высотах, а также для обеспечения регулировки высот и местоположения вдоль горизонтальной и вертикальной плоскостях;
• пульт управления предназначен для управления всеми управляющими, контролирующими электрическими приборами систем гидробассейна и способствует ускорению проведения экспериментальной части в гидробассейне [9].

Рисунок 4. Общий вид учебно-экспериментальной установки «Гидробассейн»

Так же в гидробассейне возможно исследование физической модели, рисунок 5, основной камеры сгорания перспективного ГТД [7].

С учетом специфичности проводимого исследования названы основные элементы экспериментальной установки, где: 1 – канал подвода воды к модели исследуемой камеры, 2 – трубопровод для подачи подкрашивающей жидкости, 3 – емкость с подкрашивающей жидкостью, 4 – каркас гидробассейна, 5 – смотровое окно, 6 – модель исследуемой камеры сгорания, 7– канал слива воды, 8 – платформа для размещения исследуемой модели, 9 – раструб для подачи  воды в камере сгорания.

Рисунок 5. Экспериментальная установка «Гидробассейн»

На рисунке 6 представлены результаты визуализации течения рабочего тела в модели основной камеры сгорания перспективного ГТД, рисунок 6а и на втулке подвижного рабочего колеса осевого компрессора, рисунок 6б.

Рисунок 6. Визуализация картины течения в гидробассейне

Недостатком экспериментальной установки «Гидробассейн» является то, что видеокамера 8, рисунок 7, установлена неподвижно и процесс визуализации ограничен.

Данный недостаток был устранен на созданной экспериментальной установке [10], представленной на рисунке 6, где обозначено: 1 – силовой каркас; 2 – регулирующий кран; 3 – светоотражающий экран; 4 – подвижная платформа; 5 –подкачивающий насос; 6 – расходомер (электромагнитный счетчик); 7 – электродвигатель; 8 – понижающий редуктор; 9 – подводящий канал; 10 – прожекторы освещения области визуализации; 11 – объект исследования; 12 – прозрачный корпус; 13 – отводящий канал; 14 – кран для слива рабочего тела (воды) из установки. Предназначение конструктивных элементов ясно из их названия.

Рисунок 7. Экспериментальная установка

В состав установки входит объект исследования (входной направляющий аппарат и ступень осевого компрессора), рисунок 8, изготовленные на 3D принтере. К рабочему колесу, установленному в прозрачном корпусе, подается рабочее тело (вода), которое поступает из подводящего канала, проходя установленную в нём спрямляющую решетку, предназначенную для выравнивания потока воды в осевом направлении. Рабочее колесо приводится во вращение электродвигателем с возможностью изменения частоты вращения в процессе исследования, так же производится замер рабочего тела и соответственно его регулировка.

Рисунок 8. Входной направляющий аппарат и ступень осевого компрессора

Результаты визуализации представлены на рисунке 9, где w – относительная скорость потока, δ – угол отставания потока.

Анализ зарубежных баз научно-исследовательских институтов показал, что, например, экспериментальная установка для гидродинамических исследований используется в Институте гидродинамики им. фон Кармана (Бельгия), рисунок 10 [11].

Рисунок 9. Результаты визуализации течения у корпуса осевого компрессора с помощью метода «подкрашенных струек»

Рисунок 10. Объект исследования, входящий в состав установки для гидродинамического исследования Института гидродинамики им. фон Кармана (Бельгия)

Низкоскоростной одноступенчатый компрессор VKI R-1 используется для изучения течения рабочего тела (жидкостей) в лопаточных машинах. Целью исследований является влияние характера течения рабочего тела на характеристики осевого компрессора. Объект исследования имеет максимальный диаметр 700 мм.

Например, в процессе исследования производится измерение величины скорости и направления потока во вращающемся рабочем колесе с поворотными лопатками.  Для определения величины скорости и направления потока рабочего тела около поверхности лопатки используются V-образные зонды. Средства измерения позволяют исследовать поле скоростей как в абсолютной, так и в относительной системах отсчета. Данные, полученные от средств измерения, установленных на установке, позволяют получить представления о нестационарных    явлениях, которые происходят во время работы компрессора [11].

Так же необходимо отметить, что комплекс стендов для гидродинамических испытаний, позволяющий осуществлять автономные гидродинамические испытания деталей и сборочных единиц жидкостных ракетных двигателей  (насосов, регуляторов, дросселей, клапанов, расходомеров, форсуночных головок, камер сгорания) широко используется на акционерном обществе «Конструкторское бюро химавтоматики» (АО КБХА) - одним из мировых лидеров в создании жидкостных ракетных двигателей, участником всех отечественных пилотируемых программ освоения космоса [12].

При проведении исследований большое внимание уделяться применению теории подобия к течению рабочего тела в объекте исследования и граничным условиям. [13].

Таким образом, несмотря на бурное развитие теоретических методов, потребность в проведении экспериментальных исследований с развитием авиационных ГТД остается высокой. Визуализация течения рабочего тела при гидродинамическом исследовании позволяет провести не только качественную оценку изучаемого явления, получить первичную информацию о характерных особенностях течения, но и замерить некоторые количественные параметры.

Список литературы:

1. Бабкин, В.И. Роль и место экспериментальных исследований при создании перспективных авиационных двигателей / В.И. Бабкин, В.Н. Солонин // Двигатель. - 2015. - № 4 (100). - С. 84.
2. Иноземцев, А.А. Газотурбинные двигатели / А.А. Иноземцев, В.Л. Сандрацкий. - Пермь: ОАО «Авиадвигатель», 2006. - 398 c.
3. Кампсти, Н. Аэродинамика компрессоров / Н. Кампсти. - М.: Мир, 2000. - 688 с.
4. Корнилов, В.И. Пространственные пристенные турбулентные течения в угло-вых конфигурациях / В.И. Корнилов.- Новосибирск: Сибирская издательская фирма РАН, 2013. - 430 с..
5. Жуковский, Н.Е. Вихревая теория гребного винта. - М.: ОНТИ, 1937. - 652 с.
6. Гостелоу, Дж. Аэродинамика решеток турбомашин / Дж. Гостелоу. - М.: «Мир», 1987. - 391 с.
7. Скоробогатов, С.В. Метод обоснования требований, предъявляемых к вновь создаваемым камерам сгорания с поперечной системой вихреобразования авиационных двигателей: дис. канд. техн. наук: 05.22.14 / Скоробогатов Сергей Викторович. - М., 2020. - 200 с.
8. Фёдоров, Р.М. Характеристики осевых компрессоров: монография / Р.М. Фёдоров. - Воронеж: Научная книга, 2015. - 220 с.
9. Пахомов С.В. Экспериментальная установка «Гидробассейн» и практические рекомендации по ее эксплуатации. ИВВИУ.: 1991 г., 95 с.\
10. Черкасов, А.Н. Экспериментальная установка для визуализации течения в межлопаточном канале рабочего колеса осевого компрессора: пат. 115338 Российская Федерация / А.Н. Черкасов, Д.С. Клепиков, А.А. Алексеев, А.Ю. Матвеев, С.Ю. Кривошеев, А.Г. Татарников. № 1131144991/28; заявл. 07.11.1131; опубл. 27.02.1133, Бюл. № 6. 3 с.: ил.
11. Официальный сайт Института гидродинамики им. фон Кармана: Waterloosesteenweg 72, B-1640 Sint-Genesius-Rode, Belgium. Электронный адрес: https://www.vki.ac.be/index.php/contact.
12. Официальный сайт акционерного общества «Конструкторское бюро химавтоматики» - Воронежский центр ракетного двигателестроения. Электронный адрес: https://kbkha.ru/deyatel-nost/ispytatel-nyj-kompleks.
13. Седов, Л.И. Методы подобия и размерности в механике / Л.И. Седов. - М.: Наука, 1977. - 440 с.