Численное моделирование течения потока газа в выходном устройстве

Диффузор— часть канала (трубы), в котором происходит замедление (расширение) потока [4].

При выборе конструктивной схемы и проектировании выхлопных патрубков турбомашин необходимо учитывать требования, продиктованные соображениями эффективности патрубок должен:

1) Обеспечивать отвод рабочего тела из турбомашины в заданном направлении с минимальными аэродинамическими потерями;

2) Обеспечивать равномерное поле давлений за последней ступенью, т. е. обладать одинаковым гидравлическим сопротивлением по всем направлениям, отводящим рабочее тело к выходному сечению;

3) Иметь равномерное поле скоростей на выходе;

4) Во всех режимах обеспечивать стационарный устойчивый характер течения [2].

Выхлопные патрубки с осевыми кольцевыми диффузорами наиболее часто применяются в газотурбинных установках. Он состоит из кольцевого диффузора поворотного экрана  и сборного кожуха.

При проектировании ВУ ставится задача создания устройства с минимально возможным сопротивлением в силу значительного влияния потерь давления на эффективный КПД ГТУ [1].

Гидравлическое сопротивление выхлопной улитки определяется величиной потерь полного давления вследствие:

-внезапного расширения газового потока, истекающего из турбинн­ого диффузора, при входе его (потока) в прямолинейный участок осерадиального диффузора;

-потерь трения о стенки;

-потерь на расширение потока в диффузором канале;

-поворота потока;

-потерь в газосборной улитке [3].

В данной работе было проведено численное моделирование течения потока газа в различных вариантах выходного устройства (ВУ) ГТУ НК-16-18СТ.

 Расчёт выполнялся в среде SolidWorks, Flow Simulation. Модуль Flow Simulation предназначенн для моделирования течения жидкостей и газов. Позволяет учесть широкий круг физических процессов: сжимаемость, турбулентность, массовые силы, теплообмен, многофазность и пр. Он идеально подходит для выполнения аэродинамических расчетов, поскольку с его помощью можно решать задачи внешнего обтекания различных тел потоком газа (воздуха). При этом визуализируется картина обтекания тела, которая может быть представлена в виде заливки, изолиний или векторного поля и, кроме этого, находится распределения давления и температуры по поверхности тела. Таким образом, в ходе численного моделирования решаются основные задачи, для которых и предназначен аэродинамический эксперимент.

Цель данного моделирования - оценка эффективности различных вариантов диффузоров,   их влияние на поток газов и определение условий, влияющих на гидравлическое сопротивление выхлопного тракта и его элементов.

Расчѐтные модели состоят из четырѐх основных элементов: диффузор, поворотный участок (улитка), переходник и выхлопная шахта длиной порядка 8 м (рис.1).

Размер конечно-элементной сетки составляет 3,5…3,9 млн. ячеек. Сетка состоит из прямоугольных призм. Число слоев при разрешении пограничного слоя равно шести, а высота первого слоя составляет 1 мм при размере элементов модели 25…50 мм.

Рисунок 1. Общий вид модели и уровень дробления сетки

Расчѐт проводился в статической постановке. В качестве рабочего тела принят воздух как несжимаемый идеальный газ.

Все расчѐты выполнялись для одного основного режима работы двигателя с параметрами, приведенными в таблице 1.

Таблица 1.

Исходные данные для расчѐта номинального режима

Рисунок 2. Граничные условия для модели

Контрольная поверхность для условного разделения улитка-переходник выбрана на расстоянии 1425мм от оси улитки, что соответствует началу ребра переходника.

Были рассмотрены следующие варианты диффузоров:

1) Вариант без диффузора

2) Обычный радиальный диффузор;

3) Радиальный диффузор со спрямляющими устройствами.

4) Диффузор с косым срезом ɤ=18⁰;

5) Диффузор с косым срезом ɤ=18⁰ с тремя спрямляющими устройствами в нижней части диффузора.

Рисунок 3. Основные геометрические размеры диффузора

Все расчѐты проводились с учѐтом наличия переходника и реальной выхлопной шахты на выходе.

Таблица 2. 

Результаты расчѐта различных вариантов

На рис. 4-8 представлены результаты численного моделирования.

Рисунок 4. Вариант №1.

Распределение скоростей и полных давлений в поперечном сечении модели

Рисунок 5. Вариант №2.

Распределение скоростей и полных давлений в поперечном сечении модели

Рисунок 6. Вариант №3.

Распределение скоростей и полных давлений в поперечном сечении модели

Рисунок 7. Вариант №4.

Распределение скоростей и полных давлений в поперечном сечении модели

Рисунок 8. Вариант №5.

Распределение скоростей и полных давлений в поперечном сечении модели

Вывод: было проведено численное моделирование течения потока газа в выходном устройстве. Были получены различные параметры потока по всему тракту для различных вариантов конструкций, и была оценена эффективность улитки и всего выхлопного устройства. Вариант№5 с обрезанным диффузором, спрямляющими аппаратами оказался наиболее эффективен (потери в улитке – 2055Па, потери по всему тракту -2677Па).