Дослідження ефективності температурного вирівнювання залежно від площі вхідного перетину камери змішування газотурбінного двигуна та можливості застосування в безпілотній авіації

Abstract

Мета. Встановлення кількісного взаємозв’язку між відносною площею гарячого потоку на вході в кільцеву камеру змішування газотурбінного двигуна, відносною довжиною камери змішування та коефіцієнтом температурної нерівномірності на вході в турбіну за умов обмежених габаритів передтурбінного тракту, характерних для компактних багатоконтурних силових установок, зокрема двигунів безпілотних літальних апаратів зі штовхаючим гвинтом. Методика. Дослідження виконано шляхом тривимірного параметричного чисельного моделювання турбулентного змішування потоків різної температури в кільцевій камері змішування. Розрахунки проведено з використанням моделі турбулентності напружень Рейнольдса. Розглянуто три геометричні конфігурації камери змішу вання з фіксованими внутрішнім і зовнішнім діаметрами, що відповідають різним значенням відносної площі гарячого потоку. Для кожної конфігурації виконано серії розрахунків у діапазоні відносних довжин камери для декількох режимів роботи двигуна. Результати. Встановлено нелінійний характер залежності коефіцієнта температурної нерівномірності від відносної площі гарячого потоку та відносної довжини камери змішування. Показано, що конфігурація з близьким до одиниці співвідношенням площ гарячого та холодного потоків забезпечує досягнення заданого рівня температурної рівномірності за мінімальної довжини камери. Зменшення відносної площі гарячого потоку призводить до інерційної стабілізації струменя та потребує збільшення довжини камери для досягнення аналогічної якості змішування. Збільшення відносної площі супроводжується ослабленням зсувних градієнтів і погіршенням температурного вирівнювання. Наукова новизна. Уперше для кільцевої камери змішування багатоконтурного газотурбінного двигуна кількісно встановлено узгоджений вплив відносної площі гарячого потоку та відносної довжини камери на формування температурної нерівномірності в умовах обмежених габаритів передтурбінного тракту. Практична значимість. Отримані результати дозволяють обґрунтовано визначати раціональні геометричні параметри камер змішування при проектуванні компактних газотурбінних двигунів, забезпечуючи мінімальну температурну нерівномірність за мінімальної довжини тракту, що є критичним для компактних силових установок.