Движение пылевоздушного потока в осесимметричном дозвуковом воздухозаборнике с роторным воздухоочистителем

Эксплуатация в условиях запыленной атмосферы вызывает ускоренный износ деталей, ухудшение аэродинамических характеристик элементов проточной части, снижает надежность, экономичность и ресурс ГТД.

Стабилизация эксплутационных характеристик ГТД в таких условиях возможна за счет рационального проектирования геометрии элементов проточной части, применения материалов и покрытий, стойких к абразивному и эрозионному износу, а также установки на входе в ГТД воздухоочистителей, в частности баллистических и роторных.

В настоящее время в нашей стране и за рубежом созданы и успешно эксплуатируются, преимущественно на вертолетах, баллистические воздухоочистители, способные очищать воздух как от капельной влаги, так и от твердых частиц. В нашей стране разработаны и прошли испытания роторные воздухоочистители, предназначенные для очистки воздуха от капельной влаги. Роторные воздухоочистители представляют собой лопаточную машину (приводную или самовращающуюся) осевого типа, устанавливаемую либо на входе, либо внутри канала воздухозаборника. Для ТРД, ТРДД, ТВлД, а также ТВД с выносным или несоосным редуктором винта предпочтительно применение самовращающегося воздухоочистителя, установленного в воздухозаборном устройстве, имеющем осесимметричную, либо близкую к осесимметричной, форму.

Преимуществом роторных воздухоочистителей перед баллистическими является то, что им присущи относительно меньшие осевые габариты, более медленное снижение эффективности очистки воздуха с увеличением масштаба устройства [55], а также более полное использование скоростного напора набегающего потока. Однако система «воздухозаборник — роторный воздухоочиститель» недостаточно исследована применительно к защите ГТД летательных аппаратов (ЛА) от мелкодисперсных твердых частиц, поэтому работа, направленная на исследование рабочего процесса, совершенствование их схем и имеющая целью выявление возможности и путей создания работоспособных роторных воздухоочистителей, является актуальной. Актуальным является также получение ответа на вопрос о возможности адаптации уже имеющихся роторных воздухоочистителей, предназначенных для очистки воздуха от капельной влаги, к работе в условиях запыленной атмосферы, поскольку для амфибийных транспортных средств такие режимы являются характерными. Кроме того, с позиций прогнозирования эрозионного воздействия твердых частиц на ГТД, а также осуществления мероприятий по его защите актуальным является получение количественных зависимостей, описывающих параметры дисперсной фазы в канале воздухозаборника.

Таким образом, актуальность темы диссертации обусловлена необходимостью: 1) определения параметров двухфазного потока перед ГТД для обеспечения возможности рационального проектирования первых ступеней компрессора с учетом эрозионного воздействия мелкодисперсных твердых частиц- 2) обеспечения работоспособности ГТД амфибийных аппаратов (экранопланов, судов на воздушной подушке) при выходе на берег- 3) защиты ГТД летательных аппаратов грунтового базирования и ГТД наземных транспортных средств.

Данная работа является логическим продолжением исследований по разработке роторных воздухоочистителей ГТД, проводившихся в Уфимском авиационном институте — Уфимском государственном авиационном техническом университете (УАИ — УГАТУ) в течение ряда лет.

Целью работы является создание методики расчета и исследование закономерностей движения двухфазного потока «воздух — твердые частицы» в осесимметричном дозвуковом воздухозаборнике, а также оценка возможности защиты ГТД, при работе в запыленной атмосфере, с помощью роторных воздухоочистителей.

Для достижения указанной цели сформулированы следующие задачи работы.

1. Разработка методики расчета движения двухфазного потока «воздух — твердые частицы» в осесимметричном дозвуковом воздухозаборнике.

2. Расчетно-теоретическое исследование обтекания осесимметрич-ных дозвуковых воздухозаборников двухфазным потоком с малой концентрацией твердых частиц.

3. Разработка модели расчета динамики твердых частиц в роторном воздухоочистителе.

4. Исследование эффективности отделения твердых частиц в роторных воздухоочистителях, предназначенных для очистки воздуха от жидких аэрозолей.

5. Анализ системы «воздухозаборное устройство — самовращающийся воздухоочиститель» с позиции создания пылезащитных устройств.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем.

1. Разработаны математическая модель и алгоритм расчета пространственного движения мелкодисперсных твердых частиц, взвешенных в воздушном потоке, в осесимметричных дозвуковых воздухозаборниках с учетом внешнего обтекания и характера взаимодействия с ограничивающей поверхностью, основанные на определении поля течения воздушного потока методом наложения потенциальных потоков и расчете движения в этом поле частиц под воздействием инерционных сил, силы аэродинамического сопротивления, силы Магнуса и силы тяжести.

2. Для воздухозаборника серии В-50 в исследованном диапазоне параметров {Di =0,25.2,00 мСг = 40.120 м/с) получена зависимость коэффициента захвата частиц (?=(10. 1000)-Ю-6мр/,=2600 кг/м3) от отношения скоростей (vx /С¡-) в диапазоне 0.1Д в виде полинома пятой степени с погрешностью 0,12.

3. Показана принципиальная возможность очистки воздуха, поступающего в ГТД, от мелкодисперсных твердых частиц с помощью роторных воздухоочистителей, предназначенных для очистки воздуха от капельной влаги.

4. Обоснована и показана возможность достижения в воздухоза-борном устройстве с самовращающимся воздухоочистителем (£)вх=0,296 м, С=1. .3 кг/с, сг=0,97.0,98) коэффициента очистки воздуха г|=0,78.0,80 от кварцевых частиц {(1 = 500-Ю" 6 м).

Практическая ценность работы состоит в следующем.

1. Разработанная методика расчета движения мелкодисперсных твердых частиц в осесимметричных воздухозаборниках и полученные количественные зависимости могут быть использованы при разработке роторных и баллистических пылезащитных устройств, а также для определения граничных условий на входе в ГТД при разработке мероприятий по его защите от эрозии и при проектировании систем противообледе-нения.

2. Предложенная модель расчета и результаты исследований динамики твердых частиц в решетках самовращающихся воздухоочистителей рекомендуются к использованию при разработке универсальных (предназначенных для очистки воздуха как от жидких, так и от твердых частиц), а также специально предназначенных для очистки воздуха от мелкодисперсных твердых частиц, воздухоочистителей.

Достоверность полученных результатов работы основана на использовании при создании методик расчета уравнений механики многофазных сред, известных и апробированных вычислительных методов, обоснованностью принятых допущений, сравнении и удовлетворительном совпадении результатов, полученных с использованием разработанных расчетных моделей, с результатами, полученными другими авторами (Г. С. Самойлович, У. Табаков, А. Хамед, В. Краус), и экспериментальными данными.

На защиту выносятся:

1) методика расчета пространственного движения мелкодисперсных твердых частиц, взвешенных в воздушном потоке, вблизи и внутри осесимметричных дозвуковых воздухозаборников с учетом внешнего обтекания и характера взаимодействия с поверхностью;

2) результаты расчетно-теоретического исследования движения твердых частиц в осесимметричных дозвуковых воздухозаборниках;

3) модель расчета динамики твердых частиц в роторном воздухоочистителе;

4) результаты параметрического исследования эффективности отделения твердых частиц в воздухоочистителе для жидких аэрозолей;

5) результаты расчетно-экспериментального исследования очистки воздуха от пыли в самовращающемся воздухоочистителе малоразмерного ГТД.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях: «Экраноплан-96» (г. Казань, 1996 г.) — «Проблемы и перспективы развития двигателестроения в Поволжском регионе» (г. Самара, 1997 г.) — «Проблемы и перспективы развития двигателестроения в Поволжском регионе. Проблемы конструкционной прочности двигателей» (г. Самара, 1999 г.), на международном симпозиуме по проблемам конструкции авиационных двигателей (г. Уфа, 1999 г.).

Работа выполнена на кафедре прикладной гидромеханики и в научно-исследовательской лаборатории СХ ГТД в Уфимском государственном авиационном техническом университете (УГАТУ).

Автор благодарен руководителю НИЛ СХ ГТД УГАТУ, научному руководителю, канд. техн. наук Г. Г. Еникееву за помощь при написании диссертации и сделанные при этом полезные замечания.

Автор также выражает признательность канд. техн. наук Р. М. Гузаирову за ценные замечания, учтенные в работе над диссертацией, и помощь, оказанную при написании и отладке программ расчета, канд. техн. наук Г. 3. Шарипову за обсуждение ряда вопросов, отраженных в работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Создана методика расчета движения двухфазного потока «воздух — мелкодисперсные твердые частицы» с малой концентрацией частиц в дозвуковом осесимметричном воздухозаборнике при произвольных кинематических параметрах внешнего потока с учетом отражения частиц от ограничивающих поверхностей, воздействия сил Магнуса и тяжести, на основе которой.

— проведены расчетные исследования воздухозаборников, и получены данные, характеризующие влияние геометрии и режимных параметров на траектории движения, концентрацию и отставание частиц, а также количественные зависимости, устанавливающие связь коэффициентов захвата и скольжения частиц от режима работы воздухозаборника и параметров частиц;

— исследована возможность защиты ГТД от твердых частиц, при работе в запыленной атмосфере, с помощью роторных воздухоочистителей.

2. В исследованном диапазоне параметров =0,25.2,00 мСг = 40.120 м/с- £/=(10.1000)-10~6мрр=2600 кг/м3) установлено, что.

— для каждого воздухозаборника существуют режимы работы, на которых количество частиц, попадающих в канал, является минимальным;

— при числах Стокса Б1к> 10 000 захват частиц в воздухозаборнике происходит в зоне автомодельности по числу 81к;

— при числах Яе=(1,34.16,11)-106 число Фруда Ег оказывает существенное влияние на траектории частиц лишь в окрестности воздухозаборника до сечения входа, при (Ко/С-/)"0, однако коэффициент захвата частиц при этом не изменяется;

— различия отражающих свойств поверхности обечайки и центрального тела воздухозаборника, изготовленных из разных материалов, могут приводить к смещению зон взаимодействия рикошетирующих частиц с ограничивающими поверхностями на расстояния до (0,20. Д25Ш, — в осевом направлении;

— в ряде случаев сила Магнуса может вносить существенное влияние на траектории частиц.

3. Предложена модель расчета динамики твердых частиц в роторном воздухоочистителе на основе предварительного расчетного определения граничных условий на входе в решетку и с учетом пространственных рикошетов частиц в зависимости от материала лопаток.

4. Произведена оценка возможности адаптации существующих самовращающихся воздухоочистителей, предназначенных для очистки воздуха от капельной влаги, к очистке воздуха от мелкодисперсных твердых частиц. Выявлено, что роторные воздухоочистители с решеткой, составленной из Э-образных профилей, предназначенные для очистки воздуха от капельной влаги, могут быть в некоторой степени (коэффициент очистки г|=0,4.0,6) приспособлены и для очистки воздуха от мелкодисперсных твердых частиц крупных фракций (300. 1000 мкм).

Основные пути повышения эффективности очистки твердых частиц: создание окружного наклона лопаток в сторону, обратную вращениюуменьшение относительной длины лопаток (увеличение втулочного отношения) — конструктивное исполнение лопаток с наклоном вниз по потоку (увеличение стреловидности) — изготовление лопаток из материалов на основе алюминиевых и титановых сплавов, использование покрытий из эластомеров. При прочих равных условиях воздухоочистители меньшей размерности обеспечивают более эффективное отделение твердых частиц.

5. Исследовано воздухоочистительное устройство, специально предназначенное для очистки воздуха от твердых частиц. Выявлена практическая возможность использования воздухоочистителя, состоящего из направляющего аппарата, самовращающегося рабочего колеса с решеткой, составленной из специальных Б-образных профилей, и спрямляющего аппарата, расположенного в воздухозаборнике со специально спрофилированным и препарированным каналом, для защиты ГТД от попадания пылевых частиц. В частности, в воздухоочистителе малоразмерного ГТД с диаметром входа йвх = 0,296 м при расходах воздуха в диапазоне 1.3 кг/с экспериментально и теоретически получены коэффициенты очистки пыли г| = 0,78.0,80 для частиц с размером й = 500-Ю" 6 м, при коэффициентах сохранения полного давления в воздухозаборном устройстве с самовращающимся воздухоочистителем с = 0,97.0,98 на расчетных режимах.

4.3 Заключение.

В результате выполненных расчетов было установлено, что в осевой самовращающейся ступени, составленной из Б-образных профилей, характер движения твердых частиц сильно отличается от картины движения жидких частиц по следующим причинам:

— механизм взаимодействия с поверхностью различен для твердых и жидких частиц: жидкие частицы после соударения обычно продолжают свое движение по поверхности лопатки к периферии под действием центробежных и кориолисовых сил, а твердые частицы рикошетируют от поверхности в точке контакта с изменением величины и направления вектора скорости;

— в отличие от жидких частиц, твердые частицы интенсивно взаимодействуют и с вогнутой поверхностью турбинного участка Э-образного профиля лопатки.

Траектории частиц малых размеров зависят от геометрии межлопаточного канала и поля течения несущего потока. Движение крупных частиц обусловлено слабым влиянием течения несущего потока и существенным влиянием соударений частицы с вогнутыми поверхностями компрессорного и турбинного участков лопаток.

Установлено, что в исследованном диапазоне параметров (Сг =.

55,5.124,6 м/с- (и/С)ср=0,45- у=0,6.0,9) расчетная эффективность отделения твердых частиц ?/=(300. 1000)-1(Г6м в натурном воздухоочистителе для жидких аэрозолей изменяется в диапазоне 0,4.0,6. С ростом отношения (и/С)ср до значения (и/С)ср=0,8 эффективность отделения частиц увеличивается до 0,7.0,8 практически линейно. Уменьшение размерности в 4,4 раза приводит к росту эффективности отделения частиц приблизительно на 0,15. Увеличению эффективности отделения твердых частиц в воздухоочистителе способствуют, также, тангенциальный наклон лопаток в сторону, обратную вращению частиц, увеличение относительной ширины и стреловидности лопаток, а также использование лопаток из материалов с отражающей способностью, улучшающей движение частиц в радиальном направлении.

Результаты физического эксперимента показали, что в самовращающемся воздухоочистителе, состоящим из направляющего аппарата и рабочего колеса со специально спрофилированными Б-образными лопатками, в системе воздухозаборника малоразмерного двигателя на расчетных режимах эффективность очистки монодисперсной пыли при концентрации (0,01.0,08)% составляет 0,78.0,80 для й?=500−1(Г6м и равна нулю для £/=5−10~6м, коэффициент сохранения полного давления изменяется в диапазоне 0,97.0,98.

Сопоставление полученных экспериментальных данных с расчетными результатами эффективности отделения твердых частиц в решетке воздухоочистителя показывает, что основными ограничениями в достижении качественного и количественного соответствия результатов является отсутствие учетов отсоса воздуха и влияния, оказываемого направляющим аппаратом на перераспределение частиц.

Выявлено, что результаты исследования движения воздуха с твердыми частицами в дозвуковом осесимметричном воздухозаборнике, полученные на основе метода потенциальной теории и определенные экспериментально, количественно и качественно согласуются друг с другом в случае частиц крупной фракции (??=500−10−6 м).

Тем не менее для обеспечения лучшей достоверности и надежности получаемых результатов, особенно в отношении мелких частиц, расчеты движения твердых частиц следует производить на основе разработанной методики с учетом доработок, позволяющих рассчитывать каналы воздухозаборников, которые имеют щели для отсоса или вдува воздуха.