турбины. англ. Взаимодействие частиц с лопастями. Вероятность в газотурбинных двигателях
 Скачать 0.89 Mb.
|
|
Взаимодействие частиц с лопастями. Вероятность в газотурбинных двигателях Испытания двигателя на долговечность используются производителями для демонстрации ресурса двигателя и минимальной производительности при воздействии доз испытательной пыли, часто дорожной пыли Аризоны. Распределение размера зерна выбирается таким образом, чтобы воспроизвести то, что входит в двигатель; меньше внимания уделяется другим свойствам, таким как состав и форма. Здесь мы демонстрируем различия в вероятности взаимодействия частицы с заданным числом Рейнольдса частицы на лопасти, если форма частицы, геометрия лопасти и свойства, такие как композиция и форма. Мы демонстрируем здесь различия в способности взаимодействия частицы заданного числа частиц Рейнольдса на лопасти, если форма частицы, геометрия лопасти, и поток числа Рейнольдса варьируются и обсуждаем, почему традиционное определение числа Стокса является недостаточным для прогнозирования вероятности среди действий в этих потоках. Мы разрабатываем новый обобщенный ряд Стокса для сопловых лопаток и продемонстрируем его использование путем применения в 2D секций сопловой направляющий аппарат General Electric E3.Новый номер Стокса используется для разработки кривой вероятности пониженного порядка для прогнозирования эффективности взаимодействия сферических и несферических частиц, не зависящих от условий течения и геометрии лопаток. Показано, что предположение сферических частиц вместо более реалистичной сферичности 0,75 может привести к разнице в вероятности взаимодействия до 25% при числах Стокса около единицы. В заключение, мы используем гипотетическое распределение по размерам, чтобы продемонстрировать применение модели для прогнозирования общей массовой доли пыли , взаимодействующей с сопловой направляющей лопаткой в расчетных точечных условиях, и выделить разность потенциалов в факторе накопления между сферическими и несферическими частицами. Вступление Предсказание повреждения газотурбинных двигателей, работающих в агрессивных средах затруднено многочисленным переменными, которые характеризуют окружающую пыль. Пыль претерпевает значительные изменения в размерах и минералогическом распределении через двигатель из-за процессов, таких как сортировка с помощью сепаратора частиц или вентилятора, фрагментации в компрессоре, агломерацией в камере сгорания, фазового перехода, и реакции вдоль пути газа. Кроме того, пропорции минералов изменяются во всем диапазоне размеров частиц; оригинальный поглощенный осадок может содержать высокую долю кварца в крупнозерновых фракциях, но гораздо большая часть с более низкой температурой плавления глин в более мелких фракциях зерна. Это имеет большое значение, так как вероятность взаимодействия частиц и стенки является функцией от размера частиц, формы и плотности. Чем меньше частицы, тем больше сопротивление на единицу объема, таким образом, тенденция следовать направлению текучей среды тока. Однако, чем меньше частица, тем быстрее она размягчается или плавится при нагревании. Следовательно, вероятность осаждения является функцией физических свойств, которые влияют на траекторию и химических свойств, которые влияют на изменение фазы. Для того, чтобы предсказать риск эксплуатации в заданной среде, требуется знания состава материала в различных точках по всему двигателю. Поскольку доля каждого минерала изменяется в пределах диапазона размеров, вполне вероятно, что состав материала, который взаимодействует с соплом направляющей лопаткой, будет заметно отличаться от насыпной пыли при входе в двигатель. Это имеет последствия для испытания на долговечность пыли субкомпонента двигателя, где должна быть выбрана подходящая тестовая пыль. Наша задача в текущей работе заключается в разработке функции, которая может быть использована для определения вероятности взаимодействия для любого заданного минерала, любого размера в любом месте подачи, для того чтобы состав пыли, воздействующий на направляющий аппарат сопла можно более лучше предсказать. Обратная сторона В прошлом имел место ряд инцидентов, связанных с поглощением воздушными судами большого количества твердых частиц окружающей среды (ОС) и ухудшением эксплуатационных характеристик двигателей. Кларксон и др.[1] и Кларксон и Симпсон [2] использовали эти события в сочетании с несколькими другими, менее серьезными столкновениями для разработки графика зависимости продолжительности воздействия от концентрации золы для выявления потенциально опасных дозовых событий. Этот подход соотносит степень серьезности последствий воздействия с численной мерой общей массы твердых частиц попадающих на единицу объемной скорости потока двигателя и становится все более приемлемым среди гражданских операторов и производителей в качестве метрики для определения эксплуатационных пределов. Если доза и расход двигателя известен, можно оценить массу попавшей пыли внутрь. В случае турбовентиляторного питания самолета с неподвижным крылом, это может быть уменьшено действием вентилятора (см.[3]), или в случае военного вертолета с помощью сепаратора частиц [4]. В каждом конкретном случае сокращение является функцией свойств твердых частиц и потока. Этот процесс отражен в других частях двигателя по мере того как частицы депонируют на различных положениях вдоль пути газа. 2.1 Число Стокса. Если частица достигает ступени турбины через середину потока, она может плотно прилипнуть к лопатке, вызывая наращивание материала, как показано на фиг.1, в данном случае на переднем крае [5]. В других конструкциях отложения скапливаются в области лопастного середины хорды, как полагают, из-за положения пламени камеры сгорания относительно лопасти. Наличие поверхностного отложения вызывает увеличение шероховатости поверхности и сужение области сопла. Эффект от первого заключается в утолщении пограничного слоя, что увеличивает лобовое сопротивление, тем самым снижая эффективность стадии. Следствием последнего является создание обратного давления, которое сужает пределы перенапряжения. Депозит может также выступать в качестве лавирующего агента, тем самым предотвращая дальнейший отказ. Эти эффекты носят нелинейный характер и зависят от скорости доставки и способа взаимодействия частиц с поверхностью. Вероятность взаимодействия зависит от положения приближения относительно лопатки (т. е. частица на передней кромке стагнирующей обтекаемой линии с большей вероятностью ударится, чем одна первоначально направленная между двумя соседними лопатками) и числа Стокса системы потока частиц. Число Стокса больше единицы (Stk≫ 1) подразумевает большое отступление от линии тока потока и высокую вероятность удара; число Стокса намного меньше единицы (Stk≪ 1) требует внимательно следить за линиями потока и избегать взаимодействия. Число Стокса около единицы будет иметь вероятность удара между нулем и единицей. Оригинальное определение числа Стокса не включает в себя эффекты инерционного сопротивления, возникающие при больших числах Рейнольдса. Однако обобщенное число Стокса, разработанное Израилем и Роснером [6] делает и определяется, как  где ρп и μф плотность и вязкость частицы и потока, соответственно, dп представляет собой диаметр частиц, τ ФВ частица время отклика скорости в потоке Стокса, и τfv время отклика скорости потока, определяется характеристической скорости U и длины L, которые являются характеристики взаимодействия жидкости препятствий. Это может быть аппроксимировать следующей функцией:  где Reр является начальным числом Рейнольдса свободной частицы, является мгновенное относительное число Рейнольдса частиц, и Сd - коэффициент сопротивления. φ уменьшается с увеличением Rep, это означает что разница между обобщенным и исходными числами Стокса становится больше с увеличением Rep. Это позволяет вычислить эффективное число Стокса, т.е., Что число Стокса должно быть чтобы воспроизвести тот же результат взаимодействия частицы с препятствием. Если поправочный коэффициент не был применен, сопротивление на единицу массы при высоком номинальном числе Рейнольдса будет гораздо больше, чем предсказываются законом Стокса, что позволит снизить вероятность взаимодействия (в связи с большим ускорением создается в присутствии жидкости градиента скорости, все остальные параметры остальных равны).Традиционная форма числа Стокса, однако, гораздо проще, чтобы вычислить и более широко используется. Число Рейнольдса. Сила сопротивления на частицы, движущейся в жидкости определяется  |