Библиографическое описание:

Болдырев О. И. Исследование влияния учёта равновесного состояния рабочего тела на параметры и характеристики перспективных высокотемпературных ГТД // Молодой ученый. — 2011. — №10. Т.1. — С. 22-26.

Одним из направлений совершенствования современных математических моделей ГТД, используемых при проектировочных термодинамических расчётах, является введение расчёта температуры, а также термодинамических свойств гомогенной смеси продуктов сгорания с учётом химически равновесного состояния и термической диссоциации компонентов.

Необходимость создания математической модели определения состава и термодинамических функций диссоциированных продуктов сгорания и рабочего тела авиационных ГТД определяется следующими предпосылками:

– требования к параметрам перспективных ГТД ужесточены до пределов, при которых точность и адекватность моделирования рабочих процессов не позволяет пренебрегать факторами, ранее казавшимися несущественными;

– расширились диапазоны определяющих параметров рабочего цикла (р, Т), для которых необходимо выполнять расчёты. Так, при создании перспективных ГТД нового поколения с температурой газов перед турбиной близкой к температуре горения стехиометрической топливовоздушной смеси (2150 К), в продуктах сгорания неизбежно будут проявляться процессы термической диссоциации, приводящие к понижению температуры газовой смеси. При этом компоненты смеси продуктов сгорания частично диссоциированы и находятся в состоянии химического равновесия;

– при расширении и охлаждении продуктов сгорания в турбине и реактивном сопле ГТД происходит процесс частичной рекомбинации диссоциированных компонентов;

– в связи с поиском альтернативных авиационных и энергетических топлив (сжиженный метан, водород, доменные и попутные газы различных составов и др.) увеличилось многообразие исходных составов топливовоздушных смесей, состав продуктов сгорания и термодинамические функции которых необходимо определять;

– производительность современной вычислительной техники позволяет использовать довольно трудоёмкий процесс отыскания состава, температуры и термодинамических функций продуктов сгорания при расчёте тягово-экономических характеристик авиационных ГТД с приемлемыми временными затратами.

В настоящее время для расчёта свойств рабочего тела применяется методика ЦИАМ [1], сформированная в 1960-х гг., в которой рабочие тела (воздух и продукты сгорания) представляют собой смесь компонентов, обладающую свойствами идеального газа, с неизменными термодинамическими свойствами, зависящими только от температуры.

В основу методики моделирования равновесного состояния гомогенной смеси продуктов сгорания и расчёта состава и термодинамических свойств рабочего тела положен универсальный метод расчёта химического равновесия, разработанный коллективом авторов под руководством В.Е. Алемасова [2] и существенно дополненный и расширенный автором [3].

Разработанная методика реализована в виде составляющего элемента системы математического моделирования рабочих процессов ГТД DVIGw.

Методика использована для определения равновесных параметров смеси воздуха и продуктов сгорания в следующих узлах ГТД: входное устройство (ВУ), компрессор (вентилятор и КВД), разделитель потока, основная камера сгорания (ОКС), турбина (ТВД и ТНД), смеситель потоков (КСМ), переходный канал (ПК), форсажная камера (ФК), реактивное сопло (РС), воздухо-воздушный теплообменник (ВВТ).

В узле «Начальные условия» задаётся признак расчёта термодинамических функций: 0 – расчёт по стандартной методике [1], 2 – расчёт по разработанной методике [3].

В этом же узле задаётся массовый состав топлива, его теплотворная способность и температура.

Формат обращения к процедуре определения термодинамических параметров рабочего тела:

procedure DissoKC(KC: Integer; C_,H_,O_,N_,S_,Hu,Lo,ettaks,Tt,qtvx,qvvx,alpha,Gvx,Tvx,Pvx: real; var Tks,Iks,Iks0,alphaks,Gt,Rg,Cpg,S,k,m:real; var i: integer; var err:byte);

Перечень входных и выходных параметров приведён в таблице.

Таблица

Обозначение

Наименование

Размерность

Входные параметры

С_

Массовая доля углерода в потоке

H_

Массовая доля водорода в потоке

O_

Массовая доля кислорода в потоке

N_

Массовая доля азота в потоке

S_

Массовая доля серы в потоке

Hu

Теплотворная способность топлива (для расчёта процесса горения)

кДж/кг

Lo

Теоретически необходимое количество воздуха для сжигания 1 кг топлива (для расчёта процесса горения)

ettaks

Коэффициент полноты сгорания топлива (для расчёта процесса горения)

Tt

Температура топлива (для расчёта процесса горения)

К

qtvx

Относительное содержание топлива во входном потоке

qvvx

Относительное содержание водяного пара во входном потоке

alpha

Коэффициент избытка воздуха, для которого проводится расчёт (для расчёта процесса горения)

Gvx

Массовый расход во входном потоке

кг/с

Tvx

Полная температура входного потока

К

Pvx

Полное давление входного потока

кПа

Выходные параметры

Tks

Полная температура выходного потока

К

Iks

Полная энтальпия выходного потока с учётом равновесного состояния

кДж/кг

Iks0

Энтальпия выходного потока по Ривкину с учётом равновесного состояния

кДж/кг

alphaks

Коэффициент избытка воздуха в выходном потоке

Gt

Расход топлива

кг/с

Rg

Газовая постоянная выходного потока с учётом равновесного состояния

Дж/кгК

Cpg

Изобарная теплоёмкость выходного потока с учётом равновесного состояния

Дж/кгК

S

Энтропия выходного потока с учётом равновесного состояния

кДж/кг

k

Показатель адиабаты выходного потока с учётом равновесного состояния

m

Коэффициент в уравнении расхода с учётом равновесного состояния

(кгК/Дж)0,5

i

Число итераций

err

Признак ошибки


В зависимости от значения переменной КС реализуются следующие расчётные функции:

Значение переменной КС

Реализуемая функция

0

Определение термодинамических параметров рабочего тела по значению полной температуры, полному давлению, относительному содержанию топлива и водяного пара.

1

Расчёт процесса горения по параметрам входного потока и коэффициенту избытка воздуха в камере сгорания.

2

Определение температуры и термодинамических параметров рабочего тела по значению полной энтальпии, полному давлению, относительному содержанию топлива и водяного пара.

3

Определение температуры и термодинамических параметров рабочего тела по значению энтропии, полному давлению, относительному содержанию топлива и водяного пара.

С помощью задания значений переменной КС реализован расчёт процессов сжатия и расширения рабочего тела в компрессоре, турбине и реактивном сопле по стандартным энтальпийно-энтропийным соотношениям [1], расчёт процессов горения в основной и форсажной камерах сгорания и расчёт процесса смешения.

Применение методики для указанных узлов обеспечивает корректное определение параметров рабочего тела с учётом его равновесного состояния во всех сечениях газовоздушного тракта ГТД. Это означает, что при изменении давления и температуры соответственно по условиям равновесия будет меняться состав газовой смеси и его термодинамические свойства. Таким образом, будет обеспечен корректный учёт влияния фактора диссоциации и рекомбинации на основные параметры ГТД.

Для проведения параметрического исследования влияния факторов термической диссоциации и рекомбинации на показатели рабочего процесса высокотемпературного ТРДДФ с помощью системы DVIGw была сформирована математическая модель двигателя, рис. 1.



Рис. 1. Модель ТРДДФ в системе DVIGw.

На рисунке цифрами обозначены узлы: 1 – Начальные условия, 2 – ВУ, 3 – Вентилятор, 4 – Разделитель потока, 5 – КВД, 6 – ОКС, 7 – ВВТ, 8 – ТВД, 9 – ТНД, 10 – КСМ, 11 – ФК, 12 – РС, 13 – Суммарные параметры.


По результатам расчёта отдельных узлов двигателя и высотно-скоростных характеристик на высотах 0 км и 11 км получены результаты, представленные на рис. 2-5.


Рис. 2. Расчётная температура в ядре форсажной камеры Т*Ф при температуре поступающего воздуха 1150 К в зависимости от суммарного коэффициента избытка воздуха, определённая по стандартной методике [1] (пунктирная линия) и по разработанной методике [3] (сплошная линия).


Рис. 3. Расчётная скорость потока в сопле Лаваля после форсажной камеры в зависимости от перепада давлений на срезе сопла, определённая по стандартной методике [1] (пунктирная линия) и по разработанной методике [3] (сплошная линия).


Врезка6Врезка2Врезка1Врезка5Врезка4Врезка3

Рис. 4. Расчётные тяговые характеристики двигателя по скорости полёта (числу Маха МН) в обезразмеренном виде, определённые по стандартной методике [1] (пунктирная линия) и по разработанной методике [3] (сплошная линия).


Врезка12Врезка11Врезка10Врезка9Врезка8Врезка7

Рис. 5. Расчётные экономические характеристики двигателя (удельный расход топлива СУД) по скорости полёта (числу Маха МН) в обезразмеренном виде, определённые по стандартной методике [1] (пунктирная линия) и по разработанной методике [3] (сплошная линия).

Разработанная методика является важной частью комплексной математической модели расчёта тягово-экономических характеристик турбореактивных двигателей. Методика использует современные инженерные подходы к расчёту свойств веществ. Особенностью созданной методики является высокая степень достоверности в широком диапазоне температур и давлений.

Полученные результаты подтверждают необходимость учёта термической диссоциации и рекомбинации в математической модели авиационных ГТД для определения термодинамических свойств рабочего тела.


Литература:

1. Руководящий технический материал авиационной техники РТМ 1677-83: Двигатели авиационные газотурбинные: Методы и подпрограммы расчёта термодинамических параметров воздуха и продуктов сгорания углеводородных топлив. – М.: ЦИАМ, 1983. – 92 с.

2. Алемасов В.Е. и др. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания: В 5 т. – М.: ВИНИТИ, 1971 – 1974.

3. Болдырев О.И. Оценка влияния термической диссоциации на температуру продуктов сгорания углеводородного топлива в основной и форсажной камерах сгорания авиационных ГТД. Научно-технический отчёт о НИР ОАО «НПП «Мотор» № 199ДО-017. – Уфа, ОАО «НПП «Мотор», 2010.


Обсуждение

Социальные комментарии Cackle