Диссертация (Методика оценки влияния климатических условий и эрозионного износа на характеристики ТРДДФ), страница 7

Поэтому в даннойработе проводилось исследование влияния радиального зазора на характеристикиизолированной ступени осевого компрессора (С-16), КНД и КВД двигателяРД33-2С [65, 66, 67, 68].2.2.1 Влияние радиального зазора на характеристики ступени С-16Для оценки влияния значения радиального зазора на характеристики осевыхступенейвданнойработепроводилисьрасчетыхарактеристиквысоконагруженной ступени осевого компрессора (С-16) при радиальных зазорахΔr = 0; 0,3; 0,6 и 0,9 мм. Результаты расчетов представлены ниже на рисунках2.14 и 2.15.Как видно, увеличение радиального зазора приводит к снижению *ст и *ст ,однако это снижение непропорционально величие зазора.

При малом зазоре(0,3 мм) значения *ст и *ст остаются почти такими же, как и при отсутствиизазора, и только при дальнейшем его увеличении их значения существенноснижаются, что, в общем, соответствует имеющимся экспериментальным данным[69 и др.].Рисунок 2.14 – Влияние радиального зазора на *ст48Рисунок 2.15 – Влияние радиального зазора на *стУвеличение относительного радиального зазора ( r приводит к уменьшениюr) на 0,9%h*ст на 1,7…2%, что примерно соответствуетрезультатам других источников [70, 71 и др.].Для анализа изменения характера течения воздуха в ступени приувеличении радиального зазора, на рисунках 2.16 и 2.17 представлены картинытечения воздуха в точках максимального КПД и точках границы устойчивойработы (ГУР) при uк.пр =368,5 м/с.На режиме работы ступени ближе к максимальному КПД, течение влопаточном венце происходит с минимальными потерями, особенно приотсутствии зазора, но наличие даже небольшого зазора формирует концевойвихрь, приводящий к дополнительным потерям.

Дальнейшее увеличение зазорасопровождается ростом размера вихря, и соответственно потерь в нем(рисунок 2.16).При работе ступени ближе к ГУР (при дросселировании ступени),отсутствие радиального зазора приводит к возникновению большой отрывнойзоны на спинке лопатки. Наличие небольшого зазора (Δr = 0,3 мм) обеспечивает49нормальное перетекание воздуха через зазор и соответственно ликвидируетсяотрывная зона, однако возникает вихревое течение у торцов лопаток РК.Дальнейшее увеличение радиального зазора приводит к увеличению размеравихря, что проявляется в виде низкоскоростной зоны в межлопаточных каналах(рисунок 2.17, б).Рисунок 2.16 – Влияние радиального зазора на характер течения: (а) – образованиевихрей у торцов лопаток РК; (б) – распределение чисел Маха в плоскости решетокна 98% высоты лопаток в точках макс.

*ст при uк.пр =368,5 м/сПри отсутствии радиального зазора (или при малом зазоре) на спинке НАтакже возникает отрывная зона, сопровождающаяся дополнительными потерями.С увеличением зазора отрыв на спинке лопаток НА уменьшается в результатеуменьшения углов выхода потока из РК.50Рисунок 2.17 – Влияние радиального зазора на характер течения (а) – образованиевихрей у торцов лопаток РК; (б) – распределение чисел Маха в плоскости решетокна 96% высоты лопаток в точках ГУР при uк.пр = 368,5 м/сДляоценки влияния радиального зазора на границу устойчивой работыступени проанализируем зависимость значений коэффициента расхода на границеустойчивости саminc1a minuкот uк.пр при различных значениях радиального зазора.На рисунке 2.18 показано полученное расчетом влияние величинырадиального зазора (Δr) на зависимость са min от uк.пр для ступени С-16.Как видно, увеличение радиального зазора ведет к существенномуувеличению са min по всему диапазону uк.пр , т.е.

к уменьшению диапазонаустойчивой работы ступени (по са ), но при этом отрицательное влияниеувеличения зазора становится всѐ меньше по мере снижения uк.пр .51Рисунок 2.18 – Влияние радиального зазора на са min при различных значениях uк.пр2.2.2 Влияние радиального зазора на характеристики КНД двигателя РД33Дляисследованиявлиянияизменениярадиальногозазоранахарактеристики КНД двигателя РД33, были проведены расчеты при различныхзначениях радиального зазора ∆r = 0,5; 1,0 и 1,5 мм, для РК всех ступеней.Результаты расчетов представлены на рисунках 2.19 и 2.20.Рисунок 2.19 – Влияние радиального зазора на положение напорных кривых КНД52*Рисунок 2.20 – Влияние радиального зазора на зависимость π *КНД от η КНДКак видно из представленных графиков, увеличение радиального зазораоказывает негативное влияние на *к и *к компрессора.

Этот факт былустановлен также в ряде других работ [37, 72, 73 и др.]. Со снижением nпрнегативноевлияниезазоранахарактеристикикомпрессорапостепенноуменьшается.Результатытакжепоказали,чтоувеличениезазораприводиткперемещению границы устойчивой работы КНД в сторону уменьшения запасагазодинамической устойчивости ∆Ку.На рисунке 2.21 (в качестве примера) показан характер течения вмежлопаточных каналах КНД вблизи радиального зазора (на 97% высотылопаток). Видно, что с увеличением зазора увеличиваются зоны, указывающие наположение вихрей, и соответственно увеличиваются потери на вихреобразованиеи дополнительные концевые потери, приводящие в первую очередь к снижениюКПД компрессора.53Рисунок 2.21 – Распределение относительного числа Маха в межлопаточных каналах*КНД на 97% от высоты лопаток в точках максимального η КНД приnНД.пр  0,92.2.3 Влияние величины и формы радиального зазора на характеристикиКВД двигателя РД33Для оценкивлияниявеличиныиформырадиальногозазора нахарактеристики осевых компрессоров были проведены расчеты характеристикКВД двигателя РД33 при двух величинах зазора (0,3 и 0,5 мм) для РК всехступеней компрессора (рисунок 2.22,а и 2.22,б), а также при таком же изменениивеличины зазора и изменении его формы в соответствии с рисунком 2.22,в.В таблице 2.3 показаны принятые в расчетах величины радиального зазора упередних и задних кромок РК ступеней компрессора.

При этом в средней частилопаток РК всех ступеней было принято значение зазора 0,5 мм.54Рисунок 2.22 – Форма проточной части КВД и примеры исследуемых значенийрадиального зазора: (а) – зазор 0,3 мм; (б) – зазор 0,5 мм;(в) – увеличенный зазор 4-го РК с изменѐнной формойТаблица 2.3 – Значения радиальных зазоров у кромок лопаток РК№ ступени123456789зазор у переднейкромки (мм)0,67 0,55 0,74 0,75 0,590,730,70,640,67зазор у заднейкромки (мм)0,82 0,55 0,73 0,85 0,630,840,710,640,7На рисунках 2.23 и 2.24 представлены результаты расчетов при двухвеличинах радиального зазора (0,3 и 0,5 мм) и зазоре, форма которогосоответствует рисунку 2.22,в. (резкое снижение *к и q( в) при переходе отnпр  0,85 к nпр  0,80 связанно с прикрытием ВНА и НА в двух первыхступенях).Результаты показали, что увеличение зазора приводит к уменьшениюмаксимальных значений *к при всех значениях nпр , но со снижением nпр данныйэффект постепенно уменьшается.55Рисунок 2.23 – Влияние радиального зазора на положение напорных кривых КВДИзменение зазора привело также к уменьшению q( в) и максимальныхзначений *к , но это влияние остановится более существенным при работекомпрессора ближе(при nпр = 0,85 – 0,95).кдиапазонунаиболеевысокихзначенийКПД*Рисунок 2.24 – Влияние радиального зазора на зависимость π *КВД от η КВДНа рисунке 2.25 показано изменение характера течения в межлопаточныхканалах КВД (на 90% от высоты лопаток) в результате изменения радиальногозазора, в точках со значением *к  8, 4 при nпр  0,95 .56Рисунок 2.25 – Изменение характера течения в межлопаточных каналах КВДв результате изменения радиального зазораКартины течения показывают также, что изменение зазора приводит квозникновению отрывных зон в последних ступенях и увеличению их размеров.2.3Методика оценки влияния эрозионного износа на характеристикиосевых компрессоровОпыт эксплуатации показал, что уровень и характер эрозионного износазависит от многих факторов, в числе которых наиболее значимыми являются:- материал лопаток;- особенности геометрической формы лопатки и еѐ положение в компрессоре;- концентрация и состав пыли.В данной методике учет влияния эрозионного износа на характеристикиосевых компрессоров рассматривался как следствие изменения величины иформы радиального зазора, и геометрических параметров профилей лопаток впериферийной части.57Исходными данными при применении разработанной методики являютсярезультаты измерения геометрических параметров проточной части компрессорана текущее время наработки.2.3.1 Изменение геометрических параметров компрессора в результатеэрозионного износа2.3.1.1Изменение геометрических параметров профилей лопатокВ работе предложен новый подход для моделирования характера изменениягеометрических параметров профилей лопаток в результате эрозионного износа.Для реализации вычислительного эксперимента проводилась дискретизациясечений поверхности лопатки и разделение точек на спинке (С) и корыте (К)условно на 4 множества: С1, K1 – множества точек спинки и корыта с абсциссой,имеющей отрицательное значение; С2, К2 – множества точек спинки и корыта сабсциссой, имеющей положительное значение.

Точка начала координат совпадаетс центром тяжести сечения лопатки. Схема дискретизации представлена нарисунке 2.26.Рисунок 2.26 – Схема сечения лопатки(а) – дискретизируемая схема; (б) – схема множеством точекПеремещение каждой i-той точки поверхности лопатки при еѐ износепроисходит по нормали к еѐ поверхности. Вертикальная составляющая этого58перемещения, например, на участке С2 равна  i cosβ i , где β – угол наклонаповерхности лопатки в данной точке к оси х.Основными формулами для перемещения (пересчета) координат каждогомножества точек профиля рабочей лопатки при эрозионном износе являются:С1 :y эрi  y i -1   i -1 cosβi ,x эрi  x i -1  S i ( y эрi  y i -1) ;С2 :y эрi  y i   i cosβi ,(2.5)(2.6)x эрi  x i  S i ( y i  y эрi ) ;К1 :y эрi  y i -1   i -1 cosβ i ,x эрi  x i -1  S i ( y эрi  y i -1) ;К2 :y эрi  y i   i cosβ i ,x эрi  x i  S i ( y i  y эрi ) ,где(2.7)(2.8) y  y i -1 Si   i;xx i i -1 β i  arctg( Si ) ;(2.9) i  d j xi  t ;хi , yi – координаты i-той точки на поверхности сечения лопатки (начиная с центрав направление кромок);xэрi , yэрi – координаты точки на поверхности сечения лопатки с эрозионнымизносом (пример их определения для участка С2 показан на рисунке 2.27);t – вертикальное уменьшение толщины профиля в центре (для С 1, К1 имеет знак(-), а для С2, К2 знак (+));59dj, j = 1…4 – варьируемые коэффициенты, определяемые формой износа налопатке для каждой части профиля (С1, С2, К1, К2) в зависимости от егоположения по радиусу (обратно пропорциональны расстоянию до периферии).Рисунок 2.27 – Пример перемещения точки на поверхности профиля при износе научастке С2Множества точек, образующих линии спинки и корыта пересекаются послеперемещения под острым углом на передней и задней кромках.