INVESTIGATION OF THE TURBOFAN WITH MIXER ENGINE MODEL SENSITIVITY OF THERMAL - FLOW PROCESSES MODIFICATION IN THE ENGINE S COMPONENTS

Transkrypt

1 Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol.14, No INVESTIGATION OF THE TURBOFAN WITH MIXER ENGINE MODEL SENSITIVITY OF THERMAL - FLOW PROCESSES MODIFICATION IN THE ENGINE S COMPONENTS Robert Jakubowski Rzeszow University of Technology Department of Aircrafts and Aircraft Engines W. Pola 3, Rzeszów, Poland tel.: fax.: roberski@prz.edu.pl Abstract The turbofan with mixer engine model sensitivity of the thermal-flow processes effectiveness in the engine components changes was analyzed. The model of turbofan engine with the mixed exhaust stream is so complicated to use the small deviation methods to solve this problem. On that reason the own author methods to analyze this problem was proposed. During investigation it was revealed that the changes of some processes effectiveness leads to change of pressure inflow to the mixer and this cause to change of mixer process effectiveness. The mixer pressure drop coefficient decries so slightly but it should be taking into consideration during exact calculations. In the main parts of paper the results of simulation of engine work parameters sensitivity of the thermal-flow processes effectiveness changes is presented and discussed. The specific thrust and specific fuel consumption were chosen as the engine work parameters. The model responds for change of internal process effectiveness in all range and for small step was analyzed. The conclusions are presented in final parts of the paper. The essential influence on relations between the change of the efficiency of rotor sets and with specific parameters has compression rate of compressor. Generally the improvement performers of the excellence processes give better effects at the lower temperature value in front of the turbine. Keywords: aircraft engines, turbojet engines, modelling of turbojet engines, turbojet engine characteristics BADANIA WRALIWOCI MODELU SILNIKA DWUPRZEPYWOWEGO Z MIESZALNIKIEM STRUMIENI NA ZMIAN EFEKTYWNOCI PROCESÓW PRZEPYWOWO-CIEPLNYCH W ZESPOACH SILNIKA Streszczenie W pracy przeprowadzono analiz wraliwoci modelu silnika dwuprzepywowego z mieszalnikiem strumieni na zmian efektywnoci procesów przepywowo-cieplnych w zespoach silnika. Ze wzgldu na du zoono modelu silnika z mieszalnikiem do analizy nie wykorzystano klasycznie stosowanej metody maych odchyle, tylko zaproponowano wasne rozwizanie. Dodatkowo wskazano, e zmiany sprawnoci procesów w niektórych zespoach silnika powoduj zmiany parametrów strumieni na wejciu do mieszalnika, w wyniku czego zmienia si równie sprawno mieszania, któr naleaoby uwzgldni podczas dokadnych oblicze. Nastpnie w pracy przedstawiono i omówiono wyniki bada symulacyjnych wpywu zmiany efektywnoci procesów w zespoach silnika na parametry jednostkowe silnika, tj. cig jednostkowy i jednostkowe zuycie paliwa. Zamieszczone wyniki dotycz zmian parametrów jednostkowych dla przyrostu sprawnoci procesów od umownie przyjtych za obowizujce do jednoci (proces doskonay) oraz dla elementarnych przyrostów tyche wskaników doskonaoci. Ustalono, e na relacje pomidzy zmian sprawnoci zespoów wirnikowych, a parametrami jednostkowymi istotny wpyw ma spr sprarki. Generalnie poprawa wskaników doskonaoci procesów daje lepsze efekty im nisza jest warto temperatury przed turbin. Sowa kluczowe: silniki lotnicze, silniki odrzutowe, modelowanie silników odrzutowych, charakterystyki silnika odrzutowego 119

2 R. Jakubowski 1. Wstp Zagadnienie wpywu zmiany efektywnoci procesów przepywowo-cieplnych w zespoach silnika na jego charakterystyki uytkowe jest istotne z dwóch zasadniczych powodów. Jednym z nich jest ocena moliwoci poprawy waciwoci uytkowych silnika poprzez podnoszenie sprawnoci zachodzcych w nim procesów. Drugim jest wskazanie tych zespoów, których nawet nieznaczne zuycie eksploatacyjne istotnie pogarsza waciwoci uytkowe silnika. Naley zauway, e na przestrzeni rozwoju lotnictwa oprócz innych aspektów, wanie doskonalenie procesów przepywowo-cieplnych odegrao decydujc rol w doskonaleniu konstrukcji silników lotniczych. Stao si to moliwe dziki wykorzystywaniu coraz nowszych technik pomiarowych oraz narzdzi obliczeniowych w zakresie bada, co pozwolio pozna i wyjani szereg zjawisk wystpujcych w silniku turbinowym. Dziki temu zaistniaa moliwo uwzgldnienia tego podczas tworzenia nowych konstrukcji. Przykadem moe by chociaby prezentowany na rys 1 wzrost sprawnoci politropowej sprarki, który wynika z wykorzystania nowoczesnych narzdzi projektowych oraz technik obliczeniowych pozwalajcych precyzyjnie uwzgldni zoono zjawisk zachodzcych w procesie sprania. Sprawno politropowa stopnia sprarki 0,95 0,90 0, Prdko obwodowa u [m/s] N-S 3D N-S 2D Euler 3D+WP Euler 2D+WP Przepyw potencjalny 0, Rys. 1. Wpyw uytych technika obliczeniowych na sprawno stopnia sprarki osiowej [1] Fig. 1. The design calculation technique influence on the axial compressor stage efficiency [1] Eksploatacja silnika powoduje zuywanie si jego elementów, przez co obnia si ich sprawno. Konsekwencj tego jest pogorszenia charakterystyk uytkowych zespou napdowego. Znajomo relacji pomidzy obnieniem sprawnoci poszczególnych zespoów, a pogorszeniem waciwoci uytkowych silnika pozwala wskaza te zespoy, których degradacja istotnie wpywa na zmniejszenie osigów silnika. Niewtpliwie stanowi to wan informacj wskazujc, e dany zespó powinien by projektowany i wykonany tak, aby moliwie ograniczy moliwo jego zuywania si. Jest to take przesanka do prowadzenia biecej kontroli jego stanu technicznego w czasie pracy. Okrelenie relacji pomidzy efektywnoci procesów przepywowo-cieplnych w zespoach, a waciwociami uytkowymi silnika prowadzi si poprzez poszukiwanie zalenoci pomidzy wskanikami charakteryzujcymi efektywno procesów, a parametrami charakteryzujcymi efektywno pracy silnika. Dla silnika turbinowego wskanikami efektywnoci procesów w zespoach s: sprawnoci sprarek i turbin, sprawno cieplna komory spalania i dopalacza oraz wskaniki strat cinienia w nieruchomych zespoach silnika. Za jako parametry charakteryzujce prac silnika przyjmuje si przewanie cig jednostkowy oraz jednostkowe zuycie paliwa, prac obiegu bd sprawnoci silnika. Do badania tych relacji powszechnie wykorzystuje si metod maych odchyle [6,7], która pozwala okreli wartoci i kierunki zmian badanych wielkoci. O ile stosunkowo prosto mona t metod zastosowa do prostych form konstrukcyjnych silnika (silnik jednoprzepywowy) przy znaczcym uproszczeniu modelu silnika 120

3 Investigation of the Turbofan with Mixer Engine Model Sensitivity of Thermal-Flow Processes Modification (np. dla gazu doskonaego), to dla bardziej skomplikowanych modeli silników turbinowych metoda ta jest prawie nie moliwa do wykorzystania [4]. Szczególnie dotyczy to silnika dwuprzepywowego z mieszalnikiem strumieni, gdzie wystpuj rozbudowane relacje pomidzy parametrami pracy poszczególnych zespoów, a jednostkowymi wskanikami pracy silnika. W niniejszej pracy ocen wraliwoci modelu przeprowadzono poprzez analiz przyrostów badanych parametrów spowodowanych przyrostem wybranych wskaników charakteryzujcych doskonao procesów wewntrznych w silniku. 2. Model silnika dwuprzepywowego z mieszalnikiem strumieni Rys. 2. Silnik dwuprzepywowy z mieszalnikiem strumieni Fig. 2. By-pass engine with a mixer stream Do bada symulacyjnych wykorzystano model silnika dwuprzepywowego z mieszalnikiem strumieni, który zosta zbudowany w celu analizy pracy samolotu wielozadaniowego wyposaonego w ten typ napdu. Podstawowe zaoenia jakie on uwzgldnia to: jednowymiarowy model przepywu speniajcy zasad zachowania masy, pdu i energii, w oparciu o które wyznaczono rednie wartoci parametrów termodynamicznych przepywu w przekrojach kontrolnych (rys 1.) oraz ujcie czynnika roboczego jako gaz pódoskonay (wg zalenoci z pracy [2]). Dodatkowo uwzgldniono upust powietrza zza sprarki na chodzenie turbiny wysokiego cinienia. Dokadny opis modelu silnika zosta przedstawiony w pracy [3]. W niniejszym opracowaniu zostanie zaprezentowany jedynie model mieszalnika, poniewa temu elementowi powicone jest znacznie mniej miejsca w literaturze. Model start mieszalnika opracowano na podstawie charakterystyki przedstawionej w pracy [5] rys 3. Strata cinienia w mieszalniku wyraa si nastpujc zalenoci: pm M psr_ wej, (1) gdzie rednie cinienie czynnika na wejciu do mieszalnika: p sr _ wej p A p A A A KW I KZ II a) b) I II. (2) Rys. 3. a) Model strat mieszalnika, b) charakterystyka mieszalnika silnika dwuprzepywowego [5] Fig. 3. a) Mixer pressure losses model, b) characteristic of constant area mixer [5] 121

4 R. Jakubowski Oznaczenia wystpujce w zamieszczonej charakterystyce mieszalnika (rys. 3b) wyraaj: m m m T T - zredukowany stosunek wydatków strumieni na wejciu do mieszalnika, M KZ KW II I V T Ma a T - liczba Lavala. kr kr M - strata cinienia cakowitego w mieszalniku. Przyjty model wynika z analizy charakterystyki zamieszczonej na rys. 3b, z której wynika, e straty mieszania istotnie zale od stosunku prdkoci, co przekada si na zaleno od stosunku cinie cakowitych strumieni napywajcych do mieszalnika. Gdy prdkoci strumieni s równe, to cinienia cakowite na wejciu do mieszalnika s równe pii pi 1. Wtedy warto wspóczynnika strat cinienia w mieszalniku M osiga najwysz warto, która wynosi nawet pow. 98%. Gdy stosunek cinie jest inny, to proces mieszania zachodzi z wikszymi stratami. Jednake nawet przy najmniej korzystnych stosunkach cinie strumieni wpywajcych do mieszalnika, warto wspóczynnika strat cinienia w mieszalniku nie spada poniej 90%. Mona natomiast zauway, e warto prdkoci po zmieszaniu w znikomym stopniu wpywa na straty cinienia w mieszalniku. Pozwolio to na przyjcie zaproponowanego modelu strat w mieszalniku, gdzie warto wspóczynnika strat zaley jedynie od wartoci cinienia strumieni na wejciu do mieszalnika. 3. Metodyka bada wraliwoci modelu silnika dwuprzepywowego z mieszalnikiem strumieni na zmian efektywnoci procesów przepywowo-cieplnych w zespoach silnika W badaniach skoncentrowano si nad ocen zmian cigu jednostkowego k j oraz jednostkowego zuycia paliwa c j w zalenoci od zmiany wskaników doskonaoci procesów wewntrznych w silniku dla rónych wartoci parametrów obiegu termodynamicznego silnika. Na podstawie opracowanego modelu silnika [3] badane wielkoci mona przedstawi jako funkcje nastpujcych grup parametrów: k j f warunki _ lotu, parametry _ pracy,, (3) c j gdzie: warunki _ lotu [ H, Ma], parametry _ pracy [,,, T ], W S 3,,,,,,,,,,. (4) WL KS M dysz W S TWC TNC mwc mnc KS Na podstawie analizy danych literaturowych silników wartoci wskaników doskonaoci procesów przepywowo-cieplnych dla wspóczesnego silnika dwuprzepywowego przyjto wg danych w tabeli 1. Wielkoci te okrelono jako parametry wyjciowe oznaczajc ogólnie jako. sil _ wyj Tab. 1 Wartoci wskaników jakoci przyjte dla dwuprzepywowego z mieszalnikiem strumieni Tab. 1 Heat-flow efficiency coeficients for turbofan engine with the mixed streams WL W SWC KS KS TWC TNC kan _ z miesz dysz 0,97 0,9 0, ,99 0,88 0,9 0,97 0,98 0,97 Dla tak dobranych parametrów okrelono cig jednostkowy i jednostkowe zuycie paliwa, które przyjto jako parametry odniesienia i oznaczono je przez P sil _ wyj. Nastpnie zmieniajc wybrany wskanik doskonaoci procesu w zespole silnika w zakresie od przyjtej wartoci 122

5 Investigation of the Turbofan with Mixer Engine Model Sensitivity of Thermal-Flow Processes Modification wyjciowej do jedynki (proces idealny) badano jego wpyw na zmian jednostkowych parametrów pracy silnika. W celu porównania wyniku zdefiniowano parametry wzgldne. Wzgldna warto wskanika jakoci zostaa wyraona jako odniesienie wartoci zmienianego wskanika (i-tego) do jego wartoci wyjciowej: i i i_ sil_ wyj. (5) gdzie: i - warto wskanika jakoci i-tego procesu w silniku, i_ sil_ wyj - warto wskanika jakoci i-tego procesu przyjta jako warto odniesienia. Wzgldna warto parametru jednostkowego zostaa zdefiniowana przez analogi wg zalenoci: P i P i Psil _ wyj. (6) gdzie: P i sil _ wyj - warto badanego wskanika pracy silnika przy zmianie dla i-tego wskanika ( i ), P - warto badanego wskanika efektywnoci eksploatacyjnej dla wyjciowych wartoci wskaników jakoci i_ sil_ wyj. Dao to moliwo porównania wyników bada i zestawienia ich na wspólnym wykresie. 4. Wyniki bada Na podstawie wyników bada w szerokim zakresie zmian wskaników efektywnoci procesów, naley stwierdzi, e powoduj one zmian parametrów strumienia napywajcego do mieszalnika, a przez to zmieniaj warunki pracy tego zespou. Przykadowe wyniki przedstawiono na rys 4. Badany silnik, mia stopie dwuprzepywowoci 1, temperatur przed turbin T 3 =1500 K, spr wentylatora W 2,53, spr kanau wewntrznego KW 18. Przy tak dobranych parametrach pracy silnika, strumienie czynnika na wejciu do mieszalnika miay równe wartoci cinienia, a wspóczynnik strat mieszania by powyej 0,98. Rys. 4. Zmiana stosunku cinie cakowitych na wejciu do mieszalnika w wyniku podnoszenia sprawnoci zespoów wirnikowych silnika Fig. 4. The stream inflow into the mixer pressure change as a results of the engine turbomachinery efficiency increasing Rys. 5. Zmiana wspóczynnika strat cinienia w mieszalniku w wyniku podnoszenia sprawnoci zespoów wirnikowych silnika Fig. 5. The mixer pressure droop coefficient change as a results of the engine turbomachinery efficiency increasing 123

6 R. Jakubowski Zmiany sprawnoci zespoów wirnikowych powodoway zmian stosunku cinie na wejciu do mieszalnika, co pocztkowo nie wywoywao zmian wspóczynnika strat cinienia mieszania, natomiast póniej przyczyniao si do obnienia jego wartoci. W analizowanym zakresie zmian wskaników efektywnoci procesów najwiksze zmiany sprawnoci sprarki ( S ) z 0,97 do 1 powodoway obnienie wspóczynnika strat cinienia w mieszalniku z 0,981 do 0,977, czyli stosunkowo nieznacznie. Zmiana sprawnoci turbiny niskiego cinienia powodowaa e, miesz bya cay czas powyej 0,98. Pozwala to przyj zaoenie, e zmiany sprawnoci zespoów silnika, szczególnie w maym miesz TNC od 0.9 do 1 zakresie, nie powoduj istotnej zmiany doskonaoci procesu mieszania i mona to pomin podczas analizy nie powodujc istotnego bdu w obliczeniach. Natomiast model silnika wykorzystany do bada w celu podniesienia dokadnoci oblicze, uwzgldnia te zmiany. Wyniki oceny wraliwoci modelu na zmian efektywnoci procesów przepywowo-cieplnych, dla silnika o parametrach pracy jak powyej, przedstawiono na rys. 6. Rys. 6. Zmiana cigu jednostkowego k j i jednostkowego zuycia paliwa c j w wyniku zmiany wybranych wskaników doskonaoci procesów przepywowo-cieplnych w silniku Fig. 6. The specific thrust k j and the specific fuel consumption c j changes as the results of the chosen engine internal processes efficiency changes W wyniku bada stwierdzono, e najwiksze moliwoci podniesienia cigu jednostkowego wynikaj z poprawy sprawnoci sprarki. Gdyby udao si doprowadzi ten proces do przemiany odwracalnej to wzgldny przyrost cigu jednostkowego byby na poziomie 7%. 4-o% wzrost k j mona uzyska poprzez podnoszenie sprawnoci wentylatora i turbiny wysokiego cinienia. Poprawa sprawnoci turbiny wysokiego cinienia powoduje najistotniejsze obnienie jednostkowego zuycia paliwa do poziomu 0,96 wartoci dla silnika wyjciowego. Natomiast poprawa sprawnoci wentylatora, turbiny niskiego cinienia i procesów przepywowych we wlocie oraz dyszy wylotowej (tosama zmiana z WL ) powoduje obnienie c j na poziomie 1 do ponad 1,5%. Analizujc przedstawiony wykres bardziej istotne wydaje si okrelenie jakie zmiany parametrów jednostkowych bdzie powodowaa stosunkowo nieznaczna zmiana wybranego wskanika efektywnoci procesu wewntrznego w silniku. W tym celu wyznaczono warto przyrostu wzgldnego cigu jednostkowego i jednostkowego zuycia paliwa wynikajce ze zwikszenia wybranego wskanika doskonaoci procesu o 0,1% ( 0,001), czyli: _ 0,001 _ k k k j 0,001 j sil wyj j sil wyj i i sil wyj, (7) 124

7 Investigation of the Turbofan with Mixer Engine Model Sensitivity of Thermal-Flow Processes Modification _ 0,001 _ c c c j 0,001 j sil wyj j sil wyj. (8) Wyniki bada dla zmiany spru sprarki i dwóch wartoci temperatury przed turbin T 3 =1500K (linia przerywana) i T 3 =1700K (linia ciga) przedstawiono na rys 7. W badanym silniku stopie dwuprzepywowoci wynosi =1, a spr wentylatora by zmieniany, aby wyrówna cinienia na wejciu do mieszalnika. Rys. 7. Zmiana wzgldnego cigu jednostkowego i jednostkowego zuycia paliwa dla od przyrostu wskaników doskonaoci procesu o 0,1% (linia ciga T 3 =1700K, linia przerywana T 3 =1500 K) Fig. 7. The change of the relative specific thrust and specific fuel consumption with the thermal-flow process coefficient increasing of 0,1% (continuous line T 3 =1700K, dashed line T 3 =1500K) Analizujc przedstawione wykresy mona zauway, e najwikszy przyrost cigu jednostkowego wie si ze zwikszaniem sprawnoci sprarki. Jest on tym wikszy im wyszy jest spr i nisza temperatura przed turbin. Istotny wzrost cigu jednostkowego powoduje elementarne podnoszenie sprawnoci wentylatora i turbiny wysokiego cinienia. Podobnie jak poprzednio efekt poprawy k j wzrasta ze wzrostem spru sprarki oraz obnieniem wartoci temperatury przed turbin. Znaczcy przyrost cigu jednostkowego mona uzyska take poprawiajc wspóczynnik strat cinienia we wlocie i dyszy wylotowej. Dodatkowo jest on niezaleny od spru sprarki, natomiast jest wikszy dla mniejszych wartoci temperatury przed turbin. Badania zmian jednostkowego zuycia paliwa wskazuj, e najefektywniejsze obnianie tego parametru nastpuje poprzez zwikszanie sprawnoci cieplnej komory spalania (poprawa KS 0,001 powoduje obnienie c j o ok. 1%). Dodatkowo efekt ten nie zaley od parametrów termodynamicznych obiegu silnika. Poprawa pozostaych wskaników jakoci powoduje znacznie mniejsze efekty obnienia jednostkowego zuycia paliwa (przynajmniej o poow). Ciekawe moe by to, e bardziej opaca si dopracowywanie pod wzgldem obnienia strat przepywowych wlot i dysz wylotow ni zespoy wirnikowe. Natomiast w niektórych przypadkach podnoszenie sprawnoci sprarki prowadzi do zwikszenia jednostkowego zuycia paliwa (T 3 =1700K linia ciga). Ze wzgldu na ograniczenia w niniejszym materiale nie zamieszczono wszystkich wyników tylko te najistotniejsze, które pozwalaj wskaza ogóln tendencj zmian parametrów jednostkowych silnika spowodowanych podnoszeniem doskonaoci procesów w silniku. W dalszych badaniach w tym zakresie zostanie przeanalizowany wpyw stopnia dwuprzepywowoci. W silnikach tego typu zakres zmian tego parametru jest nieznaczny od 0,3 do ok. 1,5, a wikszo ma stopie dwuprzepywowoci =0,

8 R. Jakubowski 5. Podsumowanie i wnioski Wyniki prowadzonych bada pozwoliy okreli jak zmiana efektywnoci procesów przepywowo-cieplnych wpywa na parametry jednostkowe silnika. W wyniku bada ustalono, e na relacje pomidzy zmian sprawnoci zespoów wirnikowych, a parametrami jednostkowymi istotny wpyw ma spr sprarki. Im jest on wikszy tym efekty poprawy cigu jednostkowego i jednostkowego zuycia paliwa poprzez zwikszanie doskonaoci tych procesów s lepsze. Kolejnym wnioskiem jest to, e generalnie poprawa wskaników doskonaoci procesów daje lepsze efekty im nisza jest warto temperatury przed turbin. Nie dotyczy to relacji pomidzy obnieniem jednostkowego zuycia paliwa a podnoszeniem sprawnoci cieplnej komory spalania. W ten sposób uzyskuje si najkorzystniejszy stosunek obnienia jednostkowego zuycia paliwa do poprawy sprawnoci procesy, który nie zaley od parametrów termodynamicznych obiegu silnika. Podnoszenie spru sprarki powoduje najistotniejszy wzrost cigu jednostkowego, jednake w niektórych przypadkach (dla wyszych wartoci temperatury przed turbin powoduje take wzrost jednostkowego zuycia paliwa). Literatura [1] Górski, J., Problemy doskonalenia konstrukcji wirnikowych lotniczych napdów turbinowych, III Sympozjum Naukowe: Problemy techniczno eksploatacyjne w ksztaceniu pilotów, Dblin, [2] Guha, A., An efficient generic method for calculating the properties of combustion products, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A, Vol. 215, Iss. 3, Londyn, [3] Jakubowski, R., Badanie wpywu jakoci procesów energetycznych w turbinowym silniku odrzutowym na efektywno eksploatacyjn metod bilansu energrtycznego, Rozprawa doktorska, Rzeszów, [4] Jakubowski, R. Orkisz, M., Wpyw zmian sprawnoci procesów przepywowo-cieplnych w turbinowym silniku odrzutowym na jego charakterystyki uytkowe, Niezawodno i Eksploatacja nr 2(14)/2002, Lublin, [5] Nieciajew, Ju. I., Awiacionnyje turboreaktibnyje dwigatieli c izmieniajemym rabocim procesom dla mnogoreumnych samoletow, Maszunostrojenia, Moskwa, [6] Orkisz, M., i in., Podstawy doboru turbinowych silników odrzutowych do patowca, Biblioteka Naukowa Instytutu Lotnictwa, Warszawa, [7] Orkisz, M., Wygonik, P., Diagnozowanie kanau przepywowego silnika turbinowego w stanach ustalonych, Prace Instytutu Lotnictwa Nr 152, Warszawa, Praca naukowa finansowana ze rodków na nauk w latach jako projekt badawczy 126