Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Развитие авиадвигателей высокой степени двухконтурности сталкивается с задачами снижения шума. Необходимое снижение является целевым условием при эксплуатации двухконтурных турбореактивных двигателей (ТРДД) на взлетных режимах на взлетно-посадочных полосах и местности аэропортов для обеспечения систем безопасности здравоохранения и экологических факторов. Анализ источников шума базируется на подробном исследование узловых систем компрессоров, турбин, камер сгорания, внешних и внутренних сопел ТРДД [1, 2].
При проектировании устройства и системы понижения шума ТРДД учитывается постоянство расчетных газодинамических и габаритных характеристик. Примером изменения габаритов сопла является установка шумоглушителя, что ведет к увеличению внутреннего сопротивления каналов и падению тяги. Учитывая заданные характеристики, автором было предложено внедрение шевронной геометрии внешнего сопла на спроектированном ТРДД классом тяги 7 тс со степенью двухконтурности 9. Особенностью шевронной геометрии является снижение шума потери полного давления из-за разницы скоростей, от которой образуется вихревой поток, повышающий диапазон смешения потоков [3].
Для подтверждения поставленной задачи автором были использованы инструменты моделирования в программном комплексе ANSYS CFX, которые позволяют решить задачи, требующие качественного исследования в области газодинамики авиадвигателей [4].
Итоговыми расчетными данными необходимые для поставленной задачи использованы такие значения, как тяга на взлетном режиме (R = 7 т), скорость сопла внутреннего контура (C1 = 302,76 м/с), скорость сопла внешнего контура (C2 = 232,47 м/с), диаметр на срезе внутреннего сопла (D1 = 666 мм), Диаметр на срезе внешнего сопла (D1 = 1400 мм)
На стадии проектирования сопел ТРДД важной частью моделирования является центральное тело, для построения которой учитывается толщина (f = 1,26 мм) и положение относительно осей двигателя и сопел (l = 16,25). Значение толщины необходимо для направления струи потока, что сопровождается сужением проточной части [5].
Произведено построение геометрии сопел и центрального тела в 2D- и 3D-постановке в CAD-системе NX [1]. Шевронные «лепестки» на внешнем сопле смоделированы симметрично радиусу [1].
Выбор шевронной конической кривой по срезу сопла автором основывается на исследуемом диапазоне патентов и авиадвигателей [1, 6–8]:
1) GE 1997 chevron «Выхлопное сопло Chevron для газовой турбины» (US6360528B1, 1997), США, НАСА;
2) Nozzle для турбовентиляторных авиадвигателей (GB2289921A, 1994), Британия. Британская авиадвигательная компания;
3) GE 2006 двигатель GEnx с шевронами;
4) Rolls-Royce с RR Trent 1000;
5) CFM (GE-SNECMA) 2013 двигатель с шевроном LEAP;
6) ПД-14.
Немаловажное условие постановки 3D-модели является отсутствие пилона и стоек внешнего контура двигателя. Методики проектирования и оптимизации позволяют построение не полного пути внешнего контура на взлетном и крейсерском режимах проектируемого авиадвигателя при дозвуковом расчетном режиме [3, 5, 9].
Произведено построение цилиндрической формы вокруг модели и операция «вычитание» всей расчетной области. Такое действие дает фактическую область потока. Однако учитывается, что форма является твердотельной [4].
Исходный графический прототип экспортирован в формат Parasolid, для последующего импорта в программный инструмент Ansys Meshing, который позволяет построить сетку с конечным значением элементов: 83444621. Произведена имитация невозмущенной части потока граничным условием Opening в Pre процессоре CFX. Активизирована опция Entrainment, то есть свободный вход и выход через условную стенку расчетной модели. Задание граничных условий происходит в препроцессоре. Переход к инструменту CFX Solver дает возможность произвести необходимый расчет. Принудительная остановка расчета достаточна при численном значении 800 итераций [4].
По продольному разрезу сопел выводится контур параметров скорости, полного давления, статического давления. Важно учесть, что за центральным телом идет разгон потока в связи с тем, что в постановке задачи сопло является сужающим. Присутствует зона пониженного полного давления. В реальных условиях поток при течении в сужающемся сопле имеет максимальную скорость после среза, где происходит дальнейшее ускорение. После критического сечения сопла происходит дальнейшее ускорение потока.
При распределении скорости на срезе внутреннего сопла коэффициент скорости примерно 0,99.
Значения скорости в зоне «лепестков» снижаются в диапазоне от 302,76 до 197 м/с. В этой области наблюдается замедление потока, что влияет на снижение шума согласно формуле Лайтхилла для звуковой мощности, в зависимости от статической плотности и скорости потока [1].
