Способ определения рациональных параметров режимов влажной очистки проточного тракта гтд

Способ определения рациональных параметров режимов влажной очистки проточного тракта гтд

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к газотурбостроению и предназначено для определения рациональных параметров режимов влажной очистки проточного тракта газотурбинных двигателей (ГТД) на малоразмерной стендовой установке в заводских (цеховых) условиях без дорогостоящих опытно-промышленных испытаний двигателей.

Известно устройство и способ влажной очистки проточного тракта ГТД (патент GB 1258315, МПК F01D 25/00, опубл. 30.12.1971), выполненное в виде кольцевого коллектора, расположенного снаружи воздухозаборника двигателя и снабженного рядом форсунок. При этом сопла форсунок для впрыска жидкости-очистителя расположены радиально внутрь или в направлении вдоль канала по потоку воздуха.

Такое расположение сопел форсунок не обеспечивает требуемой эффективности и приемлемой экономичности очистки. Дело в том, что указанное расположение приводит к неравномерному распылу жидкости-очистителя по всему сечению проточного тракта; участки лопаток, расположенные ближе к втулочной части ротора и сама втулочная часть остаются неочищенными. Давление подачи промывочной жидкости должно быть существенным для того, чтобы «прошить» перпендикулярно весь воздушный поток в воздухозаборнике, что обусловливает большой расход жидкости. Кроме указанного устройство по патенту GB 1258315 имеет и другой недостаток - оно приводит к увеличению радиальных размеров воздухозаборника ГТД и его массы.

Указанных недостатков не имеет способ (Авт. св. СССР №1244994, МКИ F02C 7/00, опубл. 10.07.2004). В данном способе очистку проточного тракта ГТД осуществляют струей сжатого воздуха и жидкостью-очистителем. Направление выходных сопел форсунок, через которые подают жидкость-очиститель кольцевого контура связанно с высотой h воздушного тракта на входе в двигатель и длинной 1 расположения форсуночных отверстий от лопаток входного направляющего аппарата (ВНА) посредством угла наклона α упомянутых сопел форсунок к образующей проточного тракта.

α = ± 90 ∘ − a r c t g ( h l )                                                           ( 1 )

Величина угла α зависит от скорости жидкости V_ж с учетом направления и величины вектора скорости V_в воздушного потока.

Данному способу влажной очистки присущ один существенный недостаток, заключающийся в том, что для определения рациональных параметров режимов проведения очистки необходимы предварительные дорогостоящие опытно-промышленные испытания натурных двигателей, при которых должны определяться основные ее параметры: давление подачи (или перепад давления) жидкости-очистителя, время проведения очистки, эффективность применяемых для очистки жидкостей, расход жидкостей и некоторые другие параметры.

Задача изобретения - определить рациональные параметры режимов влажной очистки проточного тракта ГТД простым и недорогим способом на малоразмерной стендовой установке в цеховых (заводских) условиях с тем, чтобы исключить дорогостоящие опытно-промышленные испытания натурных двигателей, проводимые для указанных целей.

Решение указанной задачи достигается тем, что в способе определения рациональных параметров режимов влажной очистки проточного тракта ГТД, включающем обдувку струей сжатого воздуха и подачу жидкости-очистителя, согласно изобретению, определение параметров проводят на малоразмерной стендовой установке при очистке реальных деталей, например, кассеты образцов в виде сектора лопаток, взятых из направляющего аппарата компрессора, с предварительным закреплением их на торце смесительной камеры установки, имитирующей проточную часть двигателя, при этом обдувку воздухом образцов осуществляют со скоростью, равной скорости воздушного потока в проточной части двигателя на режиме его работы, принятом для проведения очистки, с одновременной подачей в смесительную камеру жидкости-очистителя.

Для обеспечения требуемой скорости воздушного потока в смесительной камере стендовой установки, воздух в нее подают под перепадом давления, определяемым из соотношения

Δ P в ( i ) = 8 F S 2 ⋅ V в ( i ) 2 ⋅ ρ в π 2 d в 4 ,                                                                         ( 2 )

а жидкость-очиститель - под перепадом давления, рассчитываемым по зависимости

Δ P ж ( i ) = ϕ с ⋅ ρ ж ⋅ G в ( i ) 2 ⋅ sin 2 ( a r c t g ( h / l ) ) 2 ρ в 2 ⋅ F в 2 ,                                                 ( 3 )

Подвод сжатого воздуха в смесительную камеру установки осуществляют через форсунку с диаметром проходного сечения, определяемым из соотношения

d в = 4 F S π ⋅ k ,                                                                                             ( 4 )

а подачу жидкости-очистителя в смесительную камеру производят через форсунки в количестве, рассчитываемом по зависимости

n = γ к γ ф ,                                                                                                    ( 5 )

и с диаметром проходного сечения, определяемым по формуле

d ж = 4 F S ⋅ F в ⋅ ρ в ⋅ t d π ⋅ n ⋅ ϕ с ⋅ μ ж ⋅ G в ( i ) ⋅ sin ( a r c t g ( h / l ) ) .                                                     ( 6 )

В расчетных зависимостях (2)…(6) имеем:

ρ_в и ρ_ж - плотность воздуха и жидкости-очистителя, соответственно, кг/м³;

µ_в и µ_ж - коэффициент расхода воздуха и жидкости, соответственно;

φ_с=0,70…0,96 (см., например, Кулагин В.В. Теория, расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок. Учеб. пособие. 2-е изд., исправл. - М.: Машиностроение, 2003. - с.105);

V_в(i) - скорость воздушного потока в воздухозаборнике двигателя на i-м режиме его работы, м/с;

G_в(i) - массовый расход воздуха через двигатель на i-м режиме его работы, кг/с;

d_в и d_ж - диаметр проходного сечения форсунок для подачи в смесительную камеру, соответственно, сжатого воздуха и жидкости очистителя, м;

F_в и F_S - площадь поперечного сечения воздухозаборника двигателя и смесительной камеры стендовой установки, соответственно, м²;

h и l - высота омываемой поверхности образцов лопаток и расстояние от кассеты образцов до оси жидкостных форсунок, соответственно, м;

n - количество жидкостных форсунок;

t_d=(0,8÷1,5)·10^-3 м/с - динамический слой жидкости-очистителя (см. например, Силаев Б.М., Мальцев Е.H. Теоретическое обоснование конструктивной схемы устройства для промывки газовоздушного тракта ГТД/Вестник СГАУ, №3(19), 4.2 - Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2009 - С.167-171);

γ_к - угол сектора кассеты образцов-лопаток;

γ_ф=10°-20° - угол распыла струйной форсунки (см. например, А.П.Васильев, В.М.Кудрявцев и др. «Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей», М.: «Высшая школа», 1967 г., стр.228);

к = F S F S ( Ф ) - задаваемый (принимаемый) при расчете и проектировании стендовой установки коэффициент отношения площади F_S поперечного сечения смесительной камеры установки к площади F_S(Ф) поперечного сечения отверстия форсунки подвода сжатого воздуха.

Расчетные соотношения (2)…(4) и (6) получены на основе совместного решения уравнений неразрывности потоков в воздухозаборнике двигателя и в смесительной камере стендовой установки. Зависимость (5) получена из условия охвата всей очищаемой площади лопаток впрыскиваемой в воздушный поток жидкостью.

Изобретение поясняется чертежом - фиг.1, где представлена принципиальная конструктивная и пневмогидравлическая схема малоразмерной стендовой установки, с помощью которой реализуется способ.

Установка включает смесительную камеру 1, на торце которой закреплена кассета образцов - лопаток 2, другой торец смесительной камеры образует форсунку 3. Пневмосистема состоит из форсунки 3 и измерительно-регулировочной аппаратуры, содержащей кран регулировочный 4, фильтр 5, влагомаслоотделитель 6 и кран перекрывной 7, датчик давления 16. На стенке камеры закреплены форсунки 8. Гидросистема установки состоит из насоса 9, бака 10 с жидкостью, электронагревателя 11, фильтров 12, редукционного клапана 13 и двухпозиционного крана 14; контроль давления жидкости перед форсунками осуществляется датчиком давления 15. Установка снабжена датчиками 17 и 18, а также вентилятором 19.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. На торец смесительной камеры 1 закрепляют кассету образцов-лопаток 2; с другого ее торца подводится сжатый воздух через пневмосистему. Для обеспечения требуемой скорости воздушного потока в смесительной камере 1 стендовой установки, воздух в нее подают под перепадом давления, определяемым из соотношения (2), через форсунку 3 с диаметром проходного сечения, рассчитываемым по формуле (4).

Через форсунки 8 осуществляют подвод жидкости-очистителя в камеру 1 под перепадом давления, определяемым по зависимости (3), при этом диаметр форсунки рассчитывают по формуле (6), с учетом зависимости (1), а количество форсунок 8 определяют по соотношению (5).

В зависимости от расхода воздуха, имитирующего любой из возможных режимов работы двигателя, например холодные прокрутки, режим «малый газ», номинальный режим и др., изменение подачи жидкости-очистителя осуществляется через гидросистему установки. Контроль давления в смесительной камере на входе и перед лопатками осуществляют датчиком давления 16. Для оценки влияния температуры жидкости-очистителя на продолжительность и степень очистки предусмотрен нагрев жидкости в баке 10 с помощью электронагревателя 11, при этом контроль температуры в баке производят датчиками 17, а воздуха и воздушно-жидкостного потока - датчиками 18. При работе стендовой установки воздушно-жидкостная среда с частицами пленки загрязнений в процессе очистки удаляется вентилятором 19.

Таким образом, предлагаемый способ определения рациональных параметров режимов влажной очистки проточного тракта газотурбинных двигателей - давление подачи (или перепад давления) жидкости-очистителя, время (продолжительность) проведения очистки, эффективность применяемых для очистки жидкостей и их расход - при выполнении указанной операции на малоразмерной стендовой установке устраняет проблему получения данных по очистке путем проведения дорогостоящих опытно-промышленных испытаний натурных двигателей, что в конечном счете принесет помимо технического, существенный экономический эффект.

1. Способ определения рациональных параметров режимов влажной очистки проточного тракта ГТД, включающий обдувку струей сжатого воздуха и подачу жидкости-очистителя, отличающийся тем, что параметры определяют на малоразмерной стендовой установке, помещая реальные образцы в смесительную камеру, например, кассеты образцов в виде сектора лопаток, взятых из направляющего аппарата компрессора, с предварительным закреплением их на торце смесительной камеры, имитирующей проточную часть двигателя, при этом обдувку воздухом образцов осуществляют со скоростью, равной скорости воздушного потока в проточной части двигателя на режиме его работы, принятом для проведения очистки, с одновременной подачей в смесительную камеру жидкости-очистителя.

2. Способ определения рациональных параметров режимов влажной очистки проточного тракта ГТД по п.1, отличающийся тем, что воздух в смесительную камеру подают под перепадом давления, определяемым из соотношения Δ P в ( i ) = 8 F S 2 ⋅ V в ( i ) 2 ⋅ ρ в π 2 d в 4 а жидкость-очиститель - под перепадом давления, рассчитываемым по зависимости Δ P ж ( i ) = ϕ с ⋅ ρ ж ⋅ G в ( i ) 2 ⋅ sin 2 ( a r c t g ( h / l ) ) 2 ρ в 2 ⋅ F в 2 ,гдеρ_в и ρ_ж - плотность воздуха и жидкости-очистителя, соответственно, кг/м³;φ_с - коэффициент потерь скорости в смесительной камере, равный 0.70..096;V_в(i) - скорость воздушного потока в воздухозаборнике двигателя на i-м режиме его работы, м/с;G_в(i) - массовый расход воздуха через двигатель на i-м режиме его работы, кг/с;F_в и F_S - площадь поперечного сечения воздухозаборника двигателя и смесительной камеры стендовой установки, соответственно;h и l - высота омываемой поверхности образцов лопаток и расстояние от кассеты образцов до оси жидкостных форсунок, соответственно, м.

3. Способ определения рациональных параметров режимов влажной очистки проточного тракта ГТД по пп.1 или 2, отличающийся тем, что подвод воздуха в смесительную камеру установки осуществляют через форсунку с диаметром проходного сечения, определяемым из соотношения d в = 4 F S π ⋅ k ,а подачу жидкости-очистителя в смесительную камеру производят через форсунки в количестве, рассчитываемом по зависимости n = γ к γ ф ,и с диаметром проходного сечения, определяемым по формуле d ж = 4 F S ⋅ F в ⋅ ρ в ⋅ t d π ⋅ n ⋅ ϕ с ⋅ μ ж ⋅ G в ( i ) ⋅ sin ( a r c t g ( h / l ) ) .В приведенных расчетных зависимостях параметры имеют следующие значения:ρ_в и ρ_ж - плотность воздуха и жидкости-очистителя, соответственно, кг/м³;µ_в и µ_ж - коэффициент расхода воздуха и жидкости, соответственно;φ_с - коэффициент потерь скорости в смесительной камере, равный φ_с=0,70…0,96;V_в(i) - скорость воздушного потока в воздухозаборнике двигателя на i-м режиме его работы, м/с;G_в(i) - массовый расход воздуха через двигатель на i-м режиме его работы, кг/с;d_в и d_ж - диаметр проходного сечения форсунок для подачи в смесительную камеру, соответственно, сжатого воздуха и жидкости очистителя, м;F_в и F_S - площадь поперечного сечения воздухозаборника двигателя и смесительной камеры стендовой установки, соответственно, м²;h и l - высота омываемой поверхности образцов лопаток и расстояние от кассеты образцов до оси жидкостных форсунок, соответственно, м;n - количество жидкостных форсунок;t_d=(0,8÷1,5)·10^-3 м/с - динамический слой жидкости-очистителя;γ_к - угол сектора кассеты образцов-лопаток;γ_ф=10°÷20° - угол распыла струйной форсунки; к = F S F S ( Ф ) - коэффициент отношения площади F_S поперечного сечения смесительной камеры установки к площади F_S(Ф) поперечного сечения проходного сечения отверстия форсунки подвода сжатого воздуха.