Исследование автоколебательных процессов в центробежных форсунках авиационных ГТД

Развитие авиадвигателестроения в течение длительного времени идет в направлении непрерывного повышения температуры газа перед турбиной, увеличения степени сжатия в компрессоре, повышения полноты сгорания топлива и улучшения экологических характеристик. Форсирование основных параметров рабочего процесса привело к существенным изменениям в конструкции многих узлов, в том числе и в системе подачи и распыливания топлива. Требования к более равномерному распределению топлива по объему камеры сгорания привели к многократному увеличению числа форсунок в коллекторе, уменьшению их габаритов и усложнению конструкции. Условия движения жидкости в микроканалах центробежных форсунок претерпели весьма значительные изменения, что вызвало необходимость введения дополнительных корректировок в методы их расчета. В отдельных же случаях расхождение расчетных и экспериментальных данных оказывалось настолько значительным, что потребовало критического пересмотра пределов применимости общепризнанной теории центробежной форсунки.

Наиболее яркой иллюстрацией к сказанному является обнаруженное в ОАО «А.Люлька-Сатурн» явление самопроизвольного перехода стационарного течения топлива в форсуночном коллекторе в течение с сильными колебаниями давления и расхода. Как выяснилось, источником колебаний и связанных с ними вибраций коллектора были самоподдерживающиеся колебательные процессы, развивающиеся в центробежных форсунках.

Изучению обнаруженного явления было посвящено диссертационное исследование Е. Ю. Марчукова, а также ряд опубликованных работ сотрудников ОКБ ОАО «А.Люлька-Сатурн» совместно с учеными МАИ. Итогом выполненных исследований явились:

— методика расчета области параметров, в которой возможно развитие колебаний;

— рекомендации по проектированию форсунок;

— 6- новые конструкции вихревых гидропульсаторов для нефтедобывающей отрасли.

Исследования фирмы ОАО «А.Люлька-Сатурн» показали, что известная теория центробежной форсунки не в состоянии описать ряд новых экспериментальных результатов, поэтому требуется новая постановка задачи по изучению динамики движения жидкости в тракте форсунки.

Анализ опубликованной информации по проблеме колебаний в закрученных потоках позволяет утверждать, что обнаруженная форма колебаний практически никем ранее не изучалась. Условно эти колебания можно назвать «расходными». Вполне возможно, что расходную форму колебаний еще раньше наблюдали Б. С. Дробязко и В. П. Павловский, однако ограниченный объем полученных ими данных не позволяет однозначно идентифицировать механизм описанных колебаний.

В целом объем опубликованной информации по проблеме колебаний в закрученных потоках насчитывает более сотни работ, выполненных как отечественными, так и зарубежными учеными. Однако механизм развития колебаний в вихревых аппаратах типа: циклонных фильтров, пневмоакустических форсунок, расходомеров и других, как выяснилось, не имеет ничего общего с расходными колебаниями. Колебания в перечисленных аппаратах настолько сильно отличаются от расходных по частоте, амплитуде, форме волны и области локализации, что использовать накопленный по этой проблеме обширный теоретический и экспериментальный материал не представляется возможным.

По существу единственным источником информации для постановки задач данной работы стали результаты экспериментальных исследований Е. Ю. Марчукова с соавторами. В то же время опубликованные ими теоретические построения нельзя признать удачными, поскольку они не содержат ясной и адекватной эксперименту физической модели явления. Гипотеза о возможности возникновения отрицательного гидравлического сопротивления во входных тангенциальных каналах помогла авторам проанализировать методом малых возмущений степень усиления или ослабления вынужденных колебаний в проточном тракте форсунки. Но она не в состоянии объяснить процесс самовозбуждения колебаний высокой амплитуды при полном отсутствии вынужденных колебаний в подводящих магистралях.

В связи с изложенным, задачи данного исследования сформулированы в следующем виде:

1. Разработать и выполнить программу экспериментов с целью выявления основных закономерностей и механизмов, провоцирующих эффект возникновения самоподдерживающихся колебаний давления и расхода в тракте центробежной форсунки.

2. Поставить и решить задачу о границах применимости известного постулата Новикова-Абрамовича о максимуме расхода применительно к теории центробежной форсунки.

3. Разработать практические рекомендации по расчету и проектированию центробежных форсунок ГТД с надежным выявлением автоколебательных режимов и методами их устранения. Разработать метод расчета и проектирования вихревых гидропульсаторов высокой мощности применительно к конверсионным технологиям.

4. Построить физическую модель явления, адекватно отражающую экспериментально установленные закономерности.

5. Использовать полученные результаты в практической деятельности авиадвигателестроительных фирм, а так же при создании новых технологий в энергетике, медицине, нефтедобыче, агротехнике и других отраслях.

На защиту выносятся:

1. Результаты экспериментального исследования и созданная на их основе физическая модель явления возбуждения автоколебаний в проточном тракте центробежной форсунки.

2. Постановка и решение задачи о пределах применимости постулата Новикова — Абрамовича в теории центробежной форсунки.

— 83. Уточненная методика расчета и рекомендации по проектированию центробежных форсунок для авиационных ГТД и методика расчета вихревых гидропульсаторов промышленного назначения. 4. Результаты практического использования основных положений и выводов диссертационного исследования.

Основная часть диссертации состоит из пяти глав.

В первой главе приводится обзор теоретических и экспериментальных работ по проблеме колебаний в закрученных потоках жидкости и газа. Ввиду достаточно большого объема информации систематизация теоретических и экспериментальных результатов была выполнена с привлечением дополнительного признака классификации — по месту локализации источника зарождения колебаний. Выявлены две основные области течения: докритическая, расположенная выше по потоку от плоскости гидравлического прыжка и сверхкритическая, расположенная ниже гидравлического прыжка. Показано, что расходные колебания могут зарождаться только в докритической области. Исследованию этого класса колебаний посвящено весьма ограниченное число работ, выполненных главным образом в МАИ и в ОАО «А.Люлька-Сатурн». По форме колебания разделены на тангенциальную и продольнорасходнуюпо частоте — на низкои высокочастотные диапазоныпо амплитуде — на сильнои слабоамплитудные. На основе анализа опубликованных данных сформулированы задачи исследования.

Во второй главе изложены результаты экспериментального исследования и описана предложенная физическая модель развития автоколебательных процессов в центробежной форсунке. Эксперименты выполнялись на основе известных критериев подобия центробежных форсунок Аг и числа Ые, дополненных двумя безразмерными параметрами Рвх / Рс и Я / гс.

В соответствии с выбранными параметрами подобия были спроектированы специальные экспериментальные модели, которые позволяли путем регулирования Ивх и гс изменять Аг в очень широком интервале 0,1 < Аг < 30. Особое внимание было уделено визуализации течения и скоростной фотои видеосъемки процессов. Выполненные на прозрачных моделях наблюдения показали, что по мере плавного увеличения Рвх / Гс диаметр газового вихря непрерывно уменьшается. Затем жидкость заполняет все сечение вихревой камеры, постепенно вытесняя остаточный газовый вихрь к соплу форсунки. Обнаруженный экспериментальный результат означает, что при определенных значениях Гвх / Рс и Я / гс в докритической части тракта форсунки возникает вторичное течение с законом вращения твердого тела, названное в данной работе «докритическим вихревым ядром» .

Выполненные на большом числе моделей эксперименты показали, что существуют такие сочетания параметров Гвх / Рс и Я / гс при которых функция Аэ и связанные с ней функции ср и р, испытывают резкий излом (скачок) на очень малом интервале изменения аргумента (Рвх / Рс). В рамках известной теории центробежной форсунки объяснить этот феномен не представляется возможным, т.к. в ней не оговаривается каких-либо ограничений на интервалы изменения, А и ц. Поскольку излом функции (Аэ) имеет место для очень широкого разнообразия испытанных в данной работе конструктивных форм и геометрических параметров центробежных форсунок и всегда начинается в области значений Аэ = 0,9 ±0,1, было высказано предположение о том, что постулат Новикова-Абрамовича имеет ограничения по применению, начиная от значения Аэ < 0,9. При Аэ < 0,9 появляется многозначность в величине коэффициента расхода Это означает, что движение не может быть стационарным. Гипотетическая возможность возникновения пульсирующего течения высказывалась И. И. Новиковым еще в 1944 году. Однако выявить численные значения Аэ, при которых реализуется этот эффект, удалось лишь при выполнении данной работы. Изменение амплитуды колебаний достигало значений (0,2 ч- 0,3) Рвх, где Рвх — давление подачи жидкости.

Систематизация экспериментальных результатов позволила сформулировать физическую модель развития автоколебаний в следующем виде:

1. Рост параметра Гвх / Гс и снижение вследствие этого степени закрутки до значения Аэ = 0,9 ±0,1 приводит к возникновению вторичного приосевого течения вихревого ядра (С)я) в докритической части потенциального вихря.

2. Достигнув критического значения по расходу, поток жидкости вихревого ядра при подходе к плоскости гидравлического прыжка, вступает во взаимодействие с основным потоком, в результате чего стационарное течение становится невозможным. Лавинообразно усиливающиеся взаимодействия приводят к практически мгновенному раздроссе-лированию вихревого клапана, роль которого выполняет гидравлический прыжок.

3. Внезапное раздросселирование вихревого клапана приводит к увеличению эффективного перепада давления и нарастанию через некоторое время расхода жидкости в целом через форсунку.

4. Нарастающая скорость во входных каналах приводит через определенное время к росту входного момента скорости до некоторого критического значения (Увх • Я) кр, при котором появляется волна повышенной закрутки, перемещающаяся к соплу. Достигнув плоскости гидравлического прыжка, волна закрутки производит скачкообразное дросселирование вихревого клапана.

5. Ввиду инерционности, какое-то время жидкость продолжает поступать в вихревую камеру с повышенной скоростью (Увх). А поскольку истечение через сопло задросселированно, то избытки расхода (0>вх) начинают усиленно перетекать в вихревое ядро, порождая в нем волну расхода (С>я).

6. Волна расхода, подойдя к сечению гидравлического прыжка, вновь открывает вихревой клапан.

Далее цикл колебаний повторяется. Периодическое открытие — закрытие клапана и колебания расхода жидкости сопровождаются колебаниями давления, как в вихревой камере форсунки, так и в подводящих магистралях. Подводящие магистрали и приосевая полость форсунки выполняют функцию гидроаккумулятора в автоколебательной системе.

Изложенное позволяет выделить основные элементы автоколебательной системы: источник энергии — движение жидкости по магистрали и в тракте форсунки при заданном перепаде давления на форсункеколебательная система — волны расхода в ядре вихряклапан — периодически открывающийся под влиянием волн расхода жидкости в ядре и закрывающийся под влиянием волн закрутки потенциального потока гидравлический прыжок (вихревой клапан) — обратная связь — состоит во взаимовлиянии периодических волн закрутки на волны расхода, в результате которого происходит периодическая подпитка колебательной системы — ядра вихря массой и энергией движения жидкости от источника энергии.

В третьей главе изложено теоретическое исследование процессов развития автоколебаний в тракте центробежной форсунки.

Для постановки задачи теоретического анализа сформулированы следующие основные допущения:

JL Существует область значения критерия 0,9 < Аг, в которой вихревая камера целиком заполнена несжимаемой жидкостью, т. е. течение осуществляется в двух слоях — периферийном потенциальном вихре (vt • г = const) и центрально расположенном вихревом ядре (vx/r = const). 2. При относительно плавных непрерывных пульсациях давления Р = Р (т) и скорости жидкости в проточном тракте форсунки, переходные процессы в плоскости гидравлического прыжка осуществляется мгновенно, т. е. функция ji = ц (т) имеет разрыв непрерывности. Обоснование корректности принятых допущений базируется на результатах экспериментального исследования. В отличие от теории Г. Н. Абрамовича, в которой рассматривается течение только в потенциальном вихре с законом вращения vxг = const, в данной работе интегрирование уравнения равновесия выделенной частицы жидкости в поле центробежных сил производится по всему поперечному течению от г = R до г = 0 по двум слоям: потенциальному (vT-r = const) и ядру вихря (vT/r = const). Выполненное интегрирование дало возможность определить распределение давления по всему поперечному сечению потока у торца вихревой камеры и найти зависимость величины давления на оси вихревого ядра в зависимости от выбранных параметров подобия Евх / Рс, Я / гс и фс. Сопоставление расчетных данных с экспериментом показывает, что расхождение результатов не превышает 30%.

Найдено значение Акр, при котором Уос = Увх. Равенство скоростей имеет место при фс = 2 / 3, что соответствует Аэ" 0,87.

Значение критерия Аэ = 0,9 принято в данной работе в качестве расчетной границы, разделяющей сильнозакрученное течение от слабозакрученно-го. Такой принцип классификации потоков по степени закрутки позволяет обосновать принятую в первой главе классификацию по областям существования тангенциальных и продольно-расходных колебаний. При сильной закрутке Аэ > 0,9 все пространство вихревого ядра заполнено газом. Случайные колебания скорости Увх могут создавать только поверхностные волны, которые в поле действия центробежных сил быстро гасятся и не могут вывести все течение на автоколебательный режим.

Описанный выше механизм самовозбуждения автоколебаний возможен только при Аэ < 0,9, когда в вихревой камере возникает приосевое вторичное течение со скоростью Уос > УВх.

Для количественного анализа автоколебательного процесса найдено выражение для расхода жидкости в область вихревого ядра. Установлено, что относительная доля потока, устремляющаяся в область вихревого ядра, зависит от параметров Рвх / Рс, И. / гс и фс. С момента появления вторичного течения расход в него быстро нарастает, достигает максимума, а затем снижается. В максимуме величина 0! Я/0ВХ может достигать 19 20%.

В предложенной схематизации структуры течения полость вихревого ядра представляет собой некий гидроаккумулятор с минимальным объемом Хшп = п" гт «Ц, где Ьф — длина форсунки от плоскости входных каналов до среза сопла. Объем гидроаккумулятора можно существенно увеличить за счет присоединенных к вихревому ядру магистралей, содержащих сжимаемую среду. Согласно выбранной схематизации цикл колебаний складывается из двух процессов:

1. Процесса аккумулирования жидкости вихревого ядра в объеме V в период повышения давления в системе от Ртш до Р0 (в условиях параллельно протекающего процесса истечения из сопла форсунки закрученного в вихревой камере основного потока жидкости).

2. Процесса совместного истечения из форсунки масс жидкости закрученного потока и вихревого ядра с момента скачка коэффициента расхода при давлении Р0 до момента второго скачка при давлении Р, шп.

По результатам интегрирования уравнений получена формула для расчета частоты колебаний в зависимости от расхода через форсунку С>вх, расхода в ядро <3Я / Рвх = К, объема полости вихревого ядра V и коэффициента сжимаемости среды а. При наличии в полости гидроаккумулятора воздуха, значение, а вычисляется с использованием уравнения адиабаты, пренебрегая процессами теплообмена. Экспериментально определенные значения амплитуды колебаний дают значения амплитуды не более (0,2 ч- 0,3) Рвх. Расчеты частоты колебаний расходятся с экспериментом не более чем на 30 -е- 40%.

Четвертая глава посвящена описанию экспериментальных стендов, систем измерения и обработки результатов измерений.

Наибольшую сложность при выполнении эксперимента представляла обработка осциллограмм. При ручной обработке достаточно велики субъективные погрешности, поэтому была спроектирована система автоматизации эксперимента на базе ПЭВМ. Она позволяла в режиме реального времени выполнять обработку данных измерений частоты, амплитуды пульсаций, а так же получать графические зависимости в заданных интервалах времени.

В пятой главе изложены вопросы применения результатов исследования. Приведена уточненная методика расчета форсунок и вихревых гидропульсаторов. Даны описания вихревых аппаратов, разработанных в Институте акустики машин при СГАУ, а так же совместных разработок с предприятиями г. г. Самары, Москвы, Тольятти.

В диссертационной работе обобщены результаты исследований по проблеме автоколебаний в центробежных форсунках ГТД и некоторых типов вихревых аппаратов, которые финансировались в разное время ОАО «А.Люлька-Сатурн», СНТК им. академика Н. Д. Кузнецова, ГНП РКЦ «ЦСКБ-Прогресс», научно-техническими программами Минвуза РФ и проводимых Институтом акустики машин при СГАУ.

В этих исследованиях автор выступал в качестве ответственного исполнителя, им разработан экспериментальный стенд, создана методика исследования динамических процессов в проточном тракте центробежной форсунки. Лично автором экспериментально установлено значение критерия Аэ = 0,9 ± 0,1, характеризующего пределы применимости постулата Новикова-Абрамовича, спроектированы новые экспериментальные модели, предложены новые конструкции форсунок и вихревых гидропульсаторов, выполнен теоретический анализ процесса образования жидкостного вихревого ядра и его взаимодействия с потенциальным вихрем.

Автор работы принял непосредственное участие в планировании и отработке автоматизированной системы измерений, и обработке экспериментальных данных, а также в работах по подготовке к производству гидропульсаторов медицинского назначения.

Автор выражает благодарность сотрудникам кафедры автоматизированных систем энергетических установок и Института акустики машин при СГАУ за методическую помощь, внимание к работе и ценные критические замечания при обсуждениях результатов. Автор так же выражает благодарность научным сотрудникам ОНИЛ-2 СГАУ за помощь в отработке методики измерений с использованием АСНИ.

Выводы по главе 5.

1. Разработана методика уточненного гидравлического расчета центробежной форсунки авиационного ГТД, обеспечивающая в ходе расчета проверку на возможность возникновения автоколебательных режимов.

2. Предложен метод расчета и проектирования вихревых гидропульсаторов технологического назначения низкочастотного диапазона 1.10.100 Гц.

3. На основе выводов второй и третьей глав разработаны конструктивные схемы вихревых гидроакустических диспергаторов водно-топливных эмульсий применительно к ГТД наземного применения.

— 207 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1. Экспериментально установлено и теоретически обосновано объективное существование границы применимости фундаментального постулата Абрамовича-Новикова о «максимуме расхода». В приложении к центробежным форсункам граничное значение критерия закрутки обозначено как Аэ. В эксперименте найдено Аэ= 0,9±0,1, расчетное значение Аэ = 0,9.

2. Установлено, что свойства течения по обе стороны от границы Аэ = 0,9 имеют следующие принципиальные различия: а) При Аэ < 0,9 в приосевой области вихревой камеры газовый вихрь заменяется жидкостным и его движение к соплу приводит к разрушению структуры гидравлического прыжка и преобразованию стационарного течения в пульсирующее. Найдены расчетные значения Аэ < 0,87, при котором начинаются автоколебания и Аэ «0,55, при котором амплитуда колебаний достигает максимума. Согласование с экспериментом Аэ = 0,87 составляет примерно 20% и согласование Аэ = 0,55 составляет 30%. б) При Аэ > 0,9 приосевая область вихревой камеры заполняется газовым вихрем и автоколебательные процессы становятся невозможными.

3. Разработана и экспериментально обоснована физическая модель развития автоколебательных процессов, в основу которой положена гипотеза о вихре-волновых взаимодействиях волн расхода жидкостного ядра вихря с волнами закрутки потенциального вихря.

4. На основе физической модели явления и принятых допущений выполнен теоретический анализ развития автоколебательного процесса, в результате которого получены основные расчетные формулы для определения частоты и амплитуды колебаний. Согласование расчетных значений частоты с экспериментальными около 40%, а при введении эмпирических коэффициентов может составить примерно 10 ч-15%.

5. Разработаны практические рекомендации по расчету и проектированию центробежных форсунок ГТД, обеспечивающие с погрешностью не более.

— 20 815% прогнозирование автоколебательных режимов течения в форсунках. Предложены конструктивные методы устранения колебаний. Создан метод расчета и проектирования низкочастотных гидропульсаторов технологического назначения. 6. Полученные результаты нашли применение в ряде принципиально новых конструкций и технологий. Совместно с предприятиями: СНТК им. Н. Д. Кузнецова, ГНП РКЦ «ЦСКБ-ПРОГРЕСС», ОАО «А.Люлька-САТУРН», ОАО «ТРАНСФОРМАТОР», ООО «МАПРИ» выполнены следующие проекты: топливная форсунка для двигателя НК-37- гидроакустический эмульгатор для стендовых испытаний отсека камеры сгорания двигателя АЛ-31Фвихревые гидропульсаторы низкои среднечастотных диапазонов медицинского назначения.

Один проект доведен до стадии серийного производствапо другому совместно с «ЦСКБ-ПРОГРЕСС» завершается подготовка производства.