АННОТАЦИЯ 2
Введение 4
1 Математическая модель 6
1.1 Уравнения Навье-Стокса для ламинарных и турбулентных течений 6
1.2 Моделирование пограничного слоя 10
1.3 Массоперенос в смесях жидкостей 11
1.4 Теплофизические свойства жидкостей 11
1.5 Моделирование горения 13
2 Численное моделирование выброса пламени в исходной выхлопной
системе газотурбинного двигателя 15
2.1 Общая информация о программном обеспечении 12
2.1 Описание расчётной модели 18
2.2 Результаты расчётов 21
3 Разработка мероприятий для уменьшения выброса пламени при запуске
газотурбинного двигателя 24
3.1 Пути уменьшения выброса пламени 24
3.2 Результаты расчёта для модифицированных вариантов конструкции
выхлопной системы 26
Выводы 33
Список литературы 34
В современной технике разработано и используется множество различных газотурбинных двигателей (ГТД), т.е. двигателей, имеющих в своём составе компрессор, камеру сгорания и газовую турбину. ГТД широко применяются в авиационной, наземной и морской технике. В настоящее время в общем объёме мирового производства ГТД в стоимостном выражении авиационные двигатели составляют около 70%, наземные и морские - около 30%. Объём производства наземных и морских ГТД распределяется следующим образом:
- энергетические ГТД ~ 91%;
- ГТД для привода промышленного оборудования и наземного транспорта ~ 5%;
- ГТД для привода судовых движителей ~ 4%
Их широкое применение в энергетике, промышленности и транспорте и в военной технике стало возможным благодаря более высокой энергоотдаче, компактности и малому весу по сравнению с другими типами силовых установок. Высокие удельные параметры ГТД обеспечиваются особенностями конструкции и термодинамического цикла, что позволяет сосредоточить в ГТД большие мощности [1].
В данной работе рассматривается лишь один тип наземный энергетический ГТД, точнее газотурбинный энергоагрегат военного назначения с возможным или подключаемым приводом оборудования и требование технического задания (ТЗ) на разработку составной части опытно-конструкторской работы газотурбинного энергоагрегата: «Выброс (форс) пламени из выхлопного патрубка ГТД на запуске должен быть исключен».
При проведении государственных испытаний газотурбинного энергоагрегата разработки АО СКБ «Турбина» при запуске в темное время суток в течении 10 секунд наблюдался выброс (форс) пламени, демаскирующий местоположение основных изделий. Возникла необходимость разработать, изготовить и испытать систему пламегашения ГТД и внедрить ее в кратчайшие сроки в конструкцию газотурбинного энергоагрегата.
Демаскирующий выброс пламени выхлопной системе ГТД ранее не рассматривался.
Исследование данного явления проведено с использованием современных математических методов системного анализа и численного моделирования с применением вычислительной техники и современного программного обеспечения.
Численное моделирование выброса (форса) пламени в выхлопной системе ГТД позволят провести исследование данного явления без проведения натурных испытаний газотурбинного энергоагрегата на этапе разработки рабочей конструкторской документации (РКД), т.к. дает возможность рассмотреть различные возможные варианты конструкций системы пламегашения, выбрать из них оптимальную для изготовления и последующих натурных испытаний.
Таким образом, целью работы является математическое моделирование выброса пламени из выхлопного патрубка ГТД на запуске.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Выбор математической модели и программного обеспечения для расчета течений газовых смесей
2. Разработка различных вариантов конструкций системы пламегашения.
3. Расчет эксперимента и выбор оптимальной конструкции для изготовления и последующих натурных испытаний.
На основании результатов расчётных исследований можно сделать вывод о том, что вариант 1 конструкции выхлопной системы газотурбинного двигателя (ГТД) является более предпочтительным по следующим причинам.
1. При подмешивании воздуха в количестве Оподм = 0,2 кг/с на режиме запуска гидравлическое сопротивление для основного потока возрастает незначительно (на 0,9 кПа) по сравнению с исходной конструкцией, что не должно привести к затруднению пуска ГТД. Однако, при работе на номинальном режиме гидравлическое сопротивление возрастает на 2 кПа, что приведет к снижению мощности двигателя на » 4%, поэтому данное решение может быть рекомендовано к применению при наличии «запаса» по мощности.
2. При подмешивании воздуха в количестве Оподм = 0,2 кг/с на режиме запуска осредненная температура потока на срезе выхлопной системы оказывается ниже соответствующей температуры при работе газотурбинного двигателя на номинальном режиме. Максимальные температуры по абсолютной величине являются сопоставимыми и отличаются на » 100 К.
Недостатком рассмотренных конструкций является необходимость создания в энергоагрегате системы подготовки воздуха для подачи в выхлопную систему ГТД на запуске или создание (перепроектирование) газотурбинного двигателя с переразмеренным компрессором позволяющим вести отбор воздуха в выхлопную систему на запуске Оподм = 0,2 кг/с.
Но предложенные конструкции предпочтительны и оптимальны в применении в газотурбинных энергоагрегатах, имеющих систему воздушного пуска.
