Материал: Ракетно-космическая техника и технология 2015. тез. докл. Российской науч.- техн. конф., посвященной 50-летию первого запуска РН «Протон» 16 июля 1965 года. Федеральное космическое агентство

параметров в осевом зазоре между выходной кольцевой щелью БлНА и рабочим колесом турбины – на кольцевой поверхности, ограниченной периферийным и корневым радиусами выходной кольцевой щели.

Рис. 5. Закромочный след за «языком» БлНА (линии тока и эпюра полного давления)

Рис. 6. Сечение спиральной камеры БлНА (эпюра полного давления и векторы скоростей)

25

Изменение параметров потока происходит как по высоте выходной кольцевой щели l1, так и в окружном направлении – в зависимости от угла поворота спиральной камеры , отмеряемого от нулевого сечения по ходу потока.

Угол потока на выходе из БлНА 1 определяется, как арктангенс отношения осевой составляющей скорости к окружной.

На рис. 7 представлены графики изменения угла 1 в зависимости от угла для трех позиций: на средней линии, у корня и у периферии выходной кольцевой щели.

Рис. 7. Распределение значений угла 1 по окружности выходной кольцевой щели

Из графика рис. 7 видно, что наиболее осциллирующими являются значения углов 1 у периферии, что связано с влиянием повышенной турбулентности, причиной которой служит форма сечения спиральной камеры – спиральная камера развита вверх. Самая гладкая кривая, как и следует ожидать, – на средней линии выходной кольцевой щели.

26

Рассматривая соотношение значений углов 1на различных высотах выходной кольцевой щели, на графике рис. 7 можно выделить четыре характерных участка:

1)при < 45 и > 300 значения угла 1 для всех радиусов быстро изменяются и достигают экстремальных значений, что обусловлено наличием в этой зоне «языка», разделяющего поток и, следовательно, вызывающего его возмущения;

2)при 60 < < 120 значения угла 1 на периферии – максимальны, у корня – минимальны;

3)при 150 < < 180 значения угла 1 у корня – максимальны, на средней линии – минимальны;

4)при 210 < < 270 значения угла 1 у корня и на периферии – максимальны, на средней линии – минимальны.

Графики распределения угла 1 по высоте выходной кольцевой щели l1 для = 90 ; 180 и 270 представлены на рис. 8.

Рис. 8. Распределение значений угла 1 по высоте выходной кольцевой щели l1для различных

Наличие перечисленных выше четырех участков свидетельствует о большой неравномерности потока по окружности и по высоте выходной кольцевой щели, что является следствием упомянутых выше развитых вторичных течений у корня и периферии.

27

На рис. 9 представлены графики распределения скорости на выходе из БлНАС1 по высоте выходной кольцевой щели l1 для =

90 ; 180 и 270 .

Рис. 9. Распределение значений скорости С1 по высоте выходной кольцевой щели l1 для различных

Из графика рис. 9 видно, что поле скоростей так же носит неравномерный характер по высоте и окружности выходной кольцевой щели. Максимальные значения скорости на выходе из БлНАС1 при различных значениях находятся выше или ниже средней линии кольцевой щели, т.е. ядро потока смещается от корня к периферии и обратно.

Можно предположить, что указанная неравномерность будет сказываться на экономичности турбины. С другой стороны, наличие реактивности турбины будет положительным образом сказываться на течении – неравномерность, предположительно, будет снижаться. Данное явление необходимо рассмотреть при дальнейших численных исследованиях.

Расхождение проектного значения расхода через БлНА и значения расхода, полученного по результатам имитационного моделирования, составляет менее 1%.

Угол 1, рассчитанный по параметрам,полученным по результатам продувки воздухом БлНА,оценочно составляет

28

17.95 18.35 (в зависимости от принятого значения коэффициента скорости).

По результатам проведенного имитационного моделирования течения газа в БлНА интегральные значения угла 1, осредненные по расходу, составляют 19.93 ; интегральные значения скорости С1, так же осредненные по расходу, – 402.8 м/с. Расхождение с проектными данными по углу 1 не превышает 2 , по скорости С1 – не превышает 2%, что можно считать хорошим совпадением. Указанные интегральные значения угла 1 и скорости С1 получены на всей окружности выходной кольцевой щели. Если проводить осреднение не по всей окружности, а по сектору 60 < < 300 (исключив зону «языка»), то значения угла 1 составят 17.49 , скорости на выходе С1 – 392.4 м/с, что практически совпадает с проектными и экспериментальными значениями.

Проведено имитационное 3D-моделирование течения газа в БлНА малоразмерной газовой турбины ТНА ЖРД с использованием методов CFD.

Применена стандартная методика, включающей в себя:

-построение пространственной геометрии БлНА;

-постановку задачи в специализированном программном комплексе

ANSYS CFX и расчет;

-исследование влияния параметров расчетной сетки на результаты;

-обработка и интерпретация результатов расчета;

-верификация и валидация результатов моделирования. Полученная в результате имитационного моделирования

картина распределения параметров потока соответствует основным закономерностям течения в БлНА.

Полученные значения основных параметров БлНА: угла 1 и скорости потока на выходе из БлНАС1 – показывают хорошее совпадение с проектными расчетами и результатами экспериментов, что позволяет сделать вывод о пригодности выбранной методики как для решения подобных задач, так и для различных исследований в рассмотренной задаче, например исследование влияния изменения геометрии БлНА на параметры потока, влияния изменения граничных условий (режимов работы) и др.

В дальнейшем планируется численное исследование проточной части рассматриваемой турбины с рабочим колесом по приведенной в данной статье методике, с последующим сравнением результатов

29