Применение численного моделирования для модернизации выхлопной системы газотурбинных двигателей

Цель. Целью исследования является модернизация конструкции выхлопной системы газотурбинных двигателей (ГТД) с целью снижения аэродинамических потерь, используя численные методы (CFD-методы) моделирования течения выхлопных газов.

Метод. Направления модернизации были выбраны путем рассмотрения картины течения выхлопных газов (отрывных зон течения и вихревых течений) в выхлопной системе при численном моделировании (Computational Fluid Dynamics). Модернизация выхлопной системы заключается в профилировании осерадиального диффузора и изменении конструкции газосборника.

Результат. Профилирование осерадиального диффузора было выполнено, используя численные методы моделирования. Конструкция газосборника была измена на основе технического решения, предложенного В.Б. Явкиным. Было выполнено численное моделирование течения выхлопных газов в модернизированном выхлопном устройстве. Для оценки результатов модернизации в численных моделях модернизированной конструкции и прототипа были определены значения аэродинамических потерь на выходе из осерадиального диффузора и газосборника.

Вывод. CFD-моделирование позволило получить данные о структуре потока выхлопных газов в модернизированной выхлопной системе, увидеть картину распределения скоростей и давлений. Результаты численного эксперимента показали снижение потерь давления по выхлопной системе относительно прототипа на 11%.

1. К вопросу проектирования выхлопных устройств газотурбинных установок / И.С. Давлетшин [и др.] // Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-2011», КНИГУ им. А.Н. Туполева, Казань, 2011. С. 300-302.

2. Дорфман А.Ш. Назарчук М.М. Аэродинамика диффузоров и выхлопных патрубков турбомашин: учебник. Издательство академии наук украинской ССР, Киев, 1960. 189 с.

3. Дейч М.Е., Зарянкин А.Е. Газодинамика диффузоров выхлопных патрубков турбомашин. Москва: «Энергия», 1970.

4. Дорфман А.Ш. Сайковский М.И. Приближенный метод расчета потерь в криволинейных диффузорах при отрывных течениях // Промышленная аэродинамика, 1966, вып. 28, С.98-121.

5. Schluter J.U. Wu X., Pitsch H. Large-Eddy Simulations of a Separated Plane Diffuser // 43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, January 10-13, 2005, Reno, NV.

6. Lai Y.G. Calculation of Planar and Conical Difmser Flows / Y.G. Lai, R.M. Sot, B.C. Hwangt // AJAA Journal. 1989; 27(5):542-548

7. Зинина С.А., Попов А.И., Брагин Д.М., Еремин А.В. Исследование процесса теплопереноса в тепловыделяющем элементе цилиндрической формы // Инженерный вестник Дона, 2021, №8 URL: http://www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n8y2021/7154

8. Долганов В.А., Адамия Д.Д., Томарева И.А. Инновационные технологии строительства нефте- и газопроводов в вечномерзлых грунтах // Инженерный вестник Дона, 2021, №5 URL: http://www.ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_67__4_dolganov_adamiya_tomareva.pdf_295b4a8739.pdf

9. Давлетшин И.С., Мингазов Б.Г. Поиск направлений оптимизации выхлопного устройства ГПА-Ц-16 // XVIII Туполевские чтения. Т.2, Изд-во Казан., гос. техн. ун-та, 2010. -С. 18-19.

10. Sovran G. Experimentally Determined Optimum Geometries for Rectilinear Diffusers with Rectangular, Conical or Annular Cross-Section / G. Sovran, E.D. Klomp // Fluid Dynamics of Internal Flow, Elsevier Publishing Co., 1967

11. Vassiliev V. Experimental and numerical investigation of the impact of swirl on the performance of industrial gas turbines exhaust diffusers / V. Vassiliev // ASME Journal of turbomachinery. 2003 GT2003- 38424.

12. Vassiliev V. Refitting of exhaust diffuser of industrial gas turbine / V. Vassiliev, M. Rothbrust, S. Irmisch // ASME Journal of turbomachinery. 2008. GT2008-50165.

13. Vassiliev V. CFD analysis of industrial gas turbine exhaust diffusers / V. Vassiliev, S. Irmisch, S. Florjancic // ASME Journal of turbomachinery. 2002. 2002-GT-30597.

14. Проектирование проточной части выхлопных устройств ГТУ с конвертированными авиационными ГТД: дис. ... канд. тех. наук : 05.07.05 / И.С. Давлетшин; Казань, 2013.

15. Явкин В.Б. Оптимизация проточной части выхлопного диффузора стационарной ГТУ // Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-2011». - С. 398-401.