турбины. англ. Взаимодействие частиц с лопастями. Вероятность в газотурбинных двигателях
 Скачать 0.89 Mb.
|
|
Рис. 14 Сравнение характерного времени отклика потока с кривая функции, заданной формулой (16) Фи tted ко всем данным точки испытаний сферических частиц а Это число распределение выражается как функция обобщенного числа Стокса Stk NGV, сгенерированный из подгонки кривой, показанной на рис. 14, Мы рекомендуем исправить следующую форму:  где коэффициенты a , b , c и d зависят от потока Время отклика выбрано (зависит от наличия данных о потоке). Кривая Подходящие параметры для трех определений времени ответа приведены в Таблица 5 . Мы также предлагаем коэффициенты для сферичности ϕ = 0,75 и 0,54, хотя это должно продемонстрировать влияние формы на общую эффективность взаимодействия NGV для данного распределения размера частиц. Число Стокса имеет форму, представленную в Eq. (2), с характеристическими значениями, приведенными в таблице 4 для определения времени отклика потока и числа Рейнольдса частицы. Кривая подходит применимы для Re p от 10 до 1000. Кривая подходит для ϕ = 1,00 и ϕ = 0,75 показывают высокое качество, но кривая для ϕ = 0.54 не хорошо, скорее всего из-за происходящего перехода при меньшем числе Рейнольдса (см. рис. 2). Это может указывать на предел применимости другой кривой соответствует: следует ли Эрации приводят к тому, что числа Рейнольдса частиц значительно превышают точка перехода, может потребоваться новая подгонка кривой. 5.3 Проверка. Насколько известно авторам, в настоящее время в литературе имеются данные, которые можно использовать для полной валидации вероятность взаимодействия. Наиболее подходящий из существующих экспериментальные данные, которые могли бы помочь нам проверить наши результаты, таковы исследователи из Университета штата Огайо, работающие над sentative направляющая насадка лопатки с помощью турбины, реагирующего буровой установки (TuRFR). Эксперименты, которые соответствуют настоящему исследованию сообщить коэффициент накопления, который, как мы опишем выше, является произведение вероятности взаимодействия и вероятности удержания. Поскольку мы не знаем вероятности удержания, мы еще не можем выделить вероятность взаимодействия. Тем не менее, мы можем изучить эти работы придать некоторую обоснованность концепции вероятности взаимодействия. Таблица 5 Кривая ц параметры Т для кривых , показанных на рис. 14 , как функции числа Стокса для трех времен отклика потока и трехчастичные сферичности  Нет никаких экспериментов, которые подвергают ряд NGV одному размер частиц, поэтому мы не можем сравнить в диапазоне Числа Стокса изучены. Однако, если поток Рейнольдса число и число Стокса является сообщается, что они могут быть использованы для расчета поправочный коэффициент не стоксового сопротивления и вероятность взаимодействия в соответствии с уравнениями (11) и ( 16 ) соответственно. Экспериментальные данные из недавнего исследования Whitaker et al. [24] используются для этого цель. Немецкие параметры собраны в Таблице 6, Частица сферичность не сообщается, но в более раннем исследовании Авторы, форма, как сообщается, является неправильной [25]. По этой причине, мы рассчитали η НГВ, как если бы сферичность составляла 0,75 и по сравнению с эффективностью захвата, указанной в экспериментах. В два случая, проведенные на уровне турбулентности, аналогичной этой. В исследовании вероятность взаимодействия превышает коэффициент накопления. Это частично подтверждает новую модель и предполагает, что из материала, который взаимодействует с лопастью, около 18% частиц 6,5 мкм и 15% частиц размером 4,6 мкм будут осаждаться. 5.4 Применение. Чтобы продемонстрировать использование взаимодействия вероятность и обобщенное число Стокса для NGV, мы строим гипотетический сценарий взаимодействия со смесью двух произвольных минеральная пыль. Данные о размере частиц выражены в виде распределений представлен алгебраически с логнормальной плотностью вероятности функция, параметры которой приведены в таблице 7 . Проба Функция bility описывает дробное число на диапазон размеров и является  где µ geo - среднее геометрическое, а σ geo - геометрический стандарт. отклонение. Индекс [.] 3 означает, что это частотное распределение по массе; Функции распределения по размеру также могут быть выражены по номеру. Два минерала имеют разные объемные плотности и Веса. В реальных операциях поглощенная пыль или пепел могут содержат ряд минералов, с диапазоном плотностей, форм, текст Туры, а также размеры; понимание всех процессов, которые происходят вдоль пути газа - такие как фрагментация, фазовые превращения, реакции, агломерация - до достижения NGV, является открытой зоной исследование. Функция вероятности взаимодействия может быть использована для оценки пропорции и объемный состав пыли, которая на самом деле приходит в контакте с NGV, что позволяет лучше прогнозировать последующие скорость и степень осаждения. Для этого требуется, чтобы распределение частиц по размерам должно быть пересчитано как обобщенное значение NGV Стокса номер Stk gen для заданных условий эксплуатации. К облегчить это, Stk gen можно выразить через известный параметры  где N - количество лопастей, h - высота лопастей, а W 1 - массовый расход двигателя. Число Рейнольдса частицы определяется как перестановка уравнения. (4) и исправление не стоксового сопротивления фактор ψ является функцией Re p как определяется формулой (2 ) Для данного размера распределение, соответствующее распределение числа Стокса тогда рассчитывается, а затем и вероятность взаимодействия, используя Eq. (16). Произведение n 3 и η нгв является частотным распределением по массе взаимодействующих частиц, что показано на Рис. 15 для смеси двух минералов, приведенных в таблице 7 . более темная заштрихованная область представляет часть исходного распределения который взаимодействует с NGV. Интегрируя эту функцию между верхние и нижние границы заданного распределения массы пыли, дают общий коэффициент взаимодействия по массе χ 3, NGV для NGV:  Мы применяем этот подход для исследования влияния сферичности на взаимодействие. Мы использовали те же два произвольных минерала, но в одном случае предполагается, что все частицы являются сферическими, а в другом что их средняя сферичность составляет более реалистичные 0,75, аналогично кварцу. Это означает, что площадь поверхности каждой частицы равна примерно 1,33 раза площадь поверхности сферической частицы того же объем. В этом случае прогнозируется массовая доля пыли, которая взаимодействует с каплями NGV на 13,1%, что немаловажно. В то время как композиции минеральных смесей, использованные в этом примере, представляют собой в некоторой степени произвольно, это может привести к окружающая среда накопления ζ NGV и может оправдать необходимость учета формы при проверке симуляции CFD экспериментов осаждения NGV.  Рис. 15 Нормализованная доля по массе биоминеральной пыли, иллю отслеживание той части дистрибутива, которая вступит в контакт с поверхностью при прохождении через ступень GE-E 3 NGV в расчетные точки условий, по сравнению с оригинальным распространением. Более темная заштрихованная область представляет часть, которая взаимодействует с NGV. 200 логарифмически разнесенных точек в интервале 10 - 1 - 10 2 мкм были использованы для создания распределения. 6. Выводы Целью настоящей работы было исследование факторов воздействуя на траектории частиц в массиве направляющих лопаток сопла, с целью уменьшения количества переменных, на которые накапливается Скорость потока на направляющей лопатке сопла газовой турбины зависит. Вероятность взаимодействия сферической частицы с соплом направляющий аппарат может быть предсказан как функция числа Стокса в одиночестве. Обобщен число ПГТ Стокса Stk ТСПГ определяется произведение поправочного коэффициента нестоксова сопротивления и отношения характерных частиц для времени отклика потока. Использование этого число уменьшает зависимость вероятности взаимодействия до одна переменная: число Стокса, что позволяет быстро оценить количество и состав пыли, которая будет взаимодействовать и потенциально придерживаться лопасти и в конечном итоге лучший прогноз коэффициент накопления ζ. Форма частиц не должна игнорироваться при масштабировании для динамического сходство. Эффект несферичности заключается в увеличении сопротивления единица массы, что приводит к большей тенденции частиц следовать линии потока жидкости, тем самым избегая взаимодействия. Для сферической частицы город 0,75, типичный для частицы кварца, снижение взаимодействия вероятность может достигать 25%; для гипсовой частицы сферической город 0,54, сокращение до 50% при том же обобщенном NGV Стокса номер. Следствие принятия сферических частиц в расчете числа Стокса будет больше, чем ожидаемый средний диаметр частиц пыли, взаимодействующей с лопастью и снижение общей дозы лопасти. Это, вероятно, влияет на скорость осаждения. Вероятность взаимодействия можно предсказать с помощью функции пониженного порядка. Использование обобщенного числа Стокса как одиночной зависимости переменная, вероятность взаимодействия может быть оценена для любого заданное рабочее состояние и любая геометрия NGV с использованием кривой подходящая функция. Для сфер 1, 0,75 и 0,54. Характеристическое время отклика потока Используемый при расчете числа Стокса может быть выбран в соответствии с доступными данными; если скорость горла NGV используется в отсутствие скорости входа, кривая вероятности взаимодействия сохраняет свою форму но сдвигается вправо. Коэффициент взаимодействия — это массовая доля пыли, взаимодействующей с лопасти, и могут быть рассчитаны для данной пыли. Мультиминеральная пыль прибытие на стадию NGV будет обладать диапазоном размеров частиц. Распределение размера каждого минерала может быть представлено вероятностью функция плотности, такая как логарифмически нормальное распределение. Используя этот размер данные, обобщенное число Стокса может быть рассчитано для двигатель задал рабочую точку и общий фактор взаимодействия χ NGV оценивается в диапазоне размеров частиц. Это может быть использовано для лучше контролировать или прогнозировать дозу пыли, которая приводит к осаждению минеральная пыль или вулканический пепел на направляющей лопатке сопла газовой турбины. Номенклатура с = концентрация d = диаметр f = коэффициент сопротивления м = масса n = распределение частот L = характерная длина U = характерная скорость C D = коэффициент сопротивления P S = статическое давление T T = общая температура W 1 = массовый расход воздуха в активной зоне двигателя [.] 0 = начальный [.] 3 = по массе [.] объем = объемной пыли [.] эксп. = экспериментальный [.] f = жидкости [.] fv = скорости потока [.] gen = обобщенный [.] hub = раздела hub [.] in = входа в домен [.] LE = переднего края NGV [.] середина = средней части [.] NGV = направляющая лопатка сопла [.] out = из домена [.] p = частицы [.] пред. = предсказано [.] pv = скорости частицы [.] th = горло [.] tip = раздела tip [.] vp = объема частицы Re = число Рейнольдса Kn = число Кнудсена EP = экологические частицы NGV = направляющая лопатка форсунки Stk = число Стокса Tu = интенсивность турбулентности ζ = коэффициент накопления η = эффективность захвата или вероятность взаимодействия μ = вязкость µ g = среднее геометрическое ρ = плотность ϕ = сферичность частицы χ = фактор взаимодействия ψ = поправочный коэффициент не-стоксово сопротивление. Подтверждение Часть этой работы была совместно профинансирована Научно-исследовательский совет по физическим наукам (идентификатор спонсора: 10.13039 / 501100000266) (EPSRC) и оборонной науке и технике Лаборатория (идентификатор спонсора: 10.13039 / 100010418) (DSTL), которые финансирование докторских исследований соавтора Мэтью Эллиса, который сформировал численное моделирование и постобработку для этой работы в рамках гранта EPSRC EP / P510579 / 1. Сгенерированный набор данных во время текущего исследования доступно в хранилище Mendeley, http: //dx.doi.org/10.17632/bzm2hwwt3s, Ссылки [1] Clarkson, RJ, Majewicz, EJ, и Mack, P., 2016, «Переоценка 2010 Количественное понимание влияния вулканического пепла на газ Турбинные двигатели, ” Proc. Текущий месяц Мех. Англ., Часть G: J. Aerosp. Eng. , 230 (12), С. 2274–2291. [2] Кларксон Р. и Симпсон Х., 2017 г. «Максимизация использования воздушного пространства во время Извержения вулканов: соответствие прочности двигателя против облаков пепла Происшествие », СТО-МП-АВТ-272, СТО НАТО, стр. 1–20. [3] Фогель А., Дюран, А.Дж., Кассиани М., Кларксон Р.Дж., Слаби М., Диплас С., Крюгер К. и Штоль А., 2019 г. «Моделирование проглатывания вулканического пепла в Большой авиационный двигатель: взаимодействие частиц и вентиляторов, ” ASME J. Turbomach. , 141 (1), п. 011010. [4] Бойдо, Н., 2012, «Отделение частиц воздуха от двигателя вертолета», кандидатская диссертация, Манчестерский университет, Манчестер. [5] Ай У., Мюррей Н., Флетчер Т.Х., Хардинг С., Льюис С. и Бонс, JP, 2012, «Осаждение вблизи пленочных охлаждающих отверстий на лопасти турбины высокого давления», ASME J. Turbomach., 134 (4), с. 041013. [6] Исраэль Р. и Рознер Д.Е., 1982 г. «Использование обобщенного числа Стокса для Определить эффективность аэродинамического захвата нестоксовых частиц Из потока сжимаемого газа », Аэрозоль. Sci. Technol. , 2 (1), с. 45–51. [7] Сакко С., Боуэн С., Лундгрин Р., Бонс Дж.П., Руджеро Е., Аллен Дж. И Бейли, J., 2017, «Динамическое сходство в тестировании осаждения турбины и Роль давления », 2017 ASME Turbo Expo, Шарлотта, документ № GT2017-64961. [8] Хайдер А. и Левеншпиль О. 1989 г. «Коэффициент сопротивления и предельная скорость Сферические и несферические частицы. Порошок Technol., 58 (1), с. 63–70. [9] Смиалек, JL, Арчер, FA, и Garlick, RG, 1994, «Турбинный аэродинамический профиль Деградация в войне в Персидском заливе », JOM , 46 (12), с. 39–41. Springer. [10] Гил К., Брукер Р.А., Марксер Х. и Новак М., 2017 г., «Экспериментальный Моделирование осаждения вулканического пепла в газовых турбинах и последствия для реактивного двигателя Безопасность двигателя », Chem. Геол., 461 , с. 160–170. [11] Ким Дж., Данн М.Г., Баран А.Д., Уэйд Д.П. и Тремба Е.Л., 1993 г. «Осаждение вулканических материалов в горячих секциях двух газовых турбин Двигатели », ASME J. Eng. Мощность газовых турбин , 115 (3), с. 641–651. [12] Бонс, Дж. П., Кросби, Дж., Уаммак, Дж. Э., Бентли, Б.И. и Флетчер, TH, 2007, «Осаждение турбины высокого давления в наземных газовых турбинах различных Synfuels, ” ASME J. Eng. Мощность газовых турбин , 129 (1), с. 135–143. [13] Кросби, Дж. М., Льюис, С., Бонс, Дж. П., Ай, В. и Флетчер, TH, 2008, «Эффекты Температура и размер частиц при осаждении в наземных турбинах », ASME J. Eng. Мощность газовых турбин, 130 (5), стр. 051503. [14] Дин Дж., Талтавулл К. и Клайн Т.В., 2016 г. «Влияние композиции и Вязкость вулканических пеплов по их адгезии в газовой турбине Авиационные двигатели ” Acta Mater., 109 , с. 8–16. [15] Taltavull, C., Дин, Дж. И Клайн, TW, 2016, «Адгезия вулканического пепла Частицы в контролируемых условиях и последствия для их осаждения в Газовые турбины », Adv. Eng. Mater. , 18 (5), стр. 803-813. [16] Бонс Дж.П., Прентер Р. и Уитакер С., 2017 г. «Простая физическая модель для отскока и осаждения частиц в турбомашине, ” ASME J. Turbomach., 139 (8), с. 081009. [17] Crowe, C., Sommerfeld, M., and Tsuji, Y., 1998, Многофазные потоки с Частицы и капли , CRC Press, Бока-Ратон, Флорида. [18] Хан, AR, и Ричардсон, JF, 1987, «Сопротивление движению твердого тела Сфера во флюиде », Хим. Eng. Commun. , 62 (1–6), с. 135–150. [19] Холдич Р.Г., 2002, Основы технологии частиц , Мидленд Информационные технологии и паб., Шепшед, Великобритания. [20] Тимко Л.П., 1984 г. «Энергоэффективный двигатель турбины высокого давления». Отчет об испытаниях компонентов », НАСА, Технический отчет НАСА NASA-CR-168289. [21] Баркер Б., 2010 г. «Моделирование отложения угольной золы на современном Турбинное сопло с направляющими лопастями », кандидатская диссертация, Университет штата Огайо, Колумбус, Огайо [22] Шанкара П.С., 2009 г. «Моделирование CFD и анализ частиц Осаждение на лопатках газовых турбин », кандидатская диссертация, Университет штата Огайо, Колумбус, Огайо [23] Сингх С., Тафти Д., 2015, «Модель осаждения частиц для потоков частиц». При высоких температурах в компонентах газовых турбин », Международный журнал Поток тепла и жидкости, 52 (апрель), с. 72–83. [24] Уитакер, С.М., Прентер Р. и Бонс, JP, 2015, «Эффект Фристрим» Турбулентность при осаждении для направляющих лопаток сопел », ASME J. Turbomach., 137 (12), стр. 121001. [25] Whitaker, SM, and Bons, JP2015, «Оценка упругопластического отскока Свойства частиц угольной летучей золы для использования в универсальных турбинных отложениях Модель, ”2015 ASME Gas Turbo Expo, Монреаль, Канада, ASME Paper No. GT2015-43765. Журнал турбомашин СЕНТЯБРЬ 2019, том. 141 / 091010-13 |