Исследование термонапряженного состояния неохлаждаемой лопатки ГТД

Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины

Национальный аэрокосмический университет

им. Н. Е. Жуковского "ХАИ"

кафедра 203

Исследование термонапряжённого состояния неохлаждаемой лопатки ГТД

Харьков

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

на исследование термонапряженного состояния охлаждаемой лопатки ТВаД

. ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ: Рабочая лопатка 1-й ступени турбины газогенератора.

. УСЛОВИЯ ПРИМЕНЕНИЯ: ТВаД с мощностью на взлетном режиме 8800 КВт (М=0, Н=0) для пассажирского самолёта.

. ЦЕЛЬ исследования: Оптимизация термонапряженного состояния лопатки

. ОСНОВНЫЕ ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ: результаты проектирования по теории лопастных машин и конструкции двигателей:

температура торможения в относительном движении              1350 К;

давление на входе в РК                                                   1,06 МПа;

давление на выходе из РК                                               0,732 МПа;

относительная скорость на входе в РК                          197,3 м/с;

относительная скорость на выходе из РК                      529,5 м/с;

температура торможения за компрессором (в ступени отбора воздуха) 707 К;

полное давление за компрессором (в ступени отбора)  1,71 МПа;

расход газа через газогенератор                                     23,42 кг/с;

отбор воздуха на охлаждение лопатки 2,5%

хорда профиля в среднем сечении                                 27,3 мм;

радиус входной кромки                                                 1,365 мм;

высота лопатки                                                                38 мм;

угол входа                                                                       54,19 град;

угол выхода                                                                     19,15 град ;

угол установки профиля                                                 53,8 град;

частота вращения                                                            16100 об/мин;

средний диаметр                                                             519 мм;

интенсивность газовых сил:

в окружном направлении                                                15700 Н/м;

в осевом направлении                                                     9140 Н/м;

радиус подвода воздуха                                              202 мм;

число лопаток                                                                  72;

щаг решетки                                                       22,65 мм;

данные для вычерчивания наружного контура корневого, среднего и периферийного сечений - см. табл. …. ;

данные для вычерчивания замка - см. табл. ….

В процессе исследования исходные данные могут уточняться или быть изменены по согласованию с консультантом.

. Исследование должно вестись по плану представленному в табл.1. В процессе исследования план может быть скорректирован и изменен по согласованию с консультантом.

. ОТЧЕТНАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ: Результаты исследования должны быть изложены в пояснительной записке. Содержание записки изложено в табл.1.

Примерный перечень иллюстративного материала, представляемого в записке:

схемы подвода воздуха к лопатке и движения воздуха по лопатке,

граничные условия теплообмена (изменение коэффициента теплоотдачи и греющей температуры) по контуру лопатки,

конечно-элементная расчетная сетка,

диаграммы термонапряженного состояния (неохлаждаемый, охлаждаемый, оптимальный варианты),

поле температуры и напряжений оптимального варианта.

В записке должны быть приведены распечатки файлов с исходными данными и результатами расчетов: Grurez.txt, Grudef.txt, ИМЯ.st, ИМЯ.tm, Analiz.rap и др.

Желательно выполнение записки на компьютере. Рекомендуемый шрифт - Times New Roman, интервал - обычный, размер - 12. Межстрочный интервал - минимум.

Таблица 1.

. ПОРЯДОК СДАЧИ И ПРИЕМКИ РАБОТЫ: Сдача работы проводится в форме публичной защиты с оценкой по пятибалльной системе. Пояснительная записка должна быть сдана на проверку руководителю не позднее, чем за два дня до установленного срока сдачи.

. СРОКИ ВЫПОЛНЕНИЯ: Начало выполнения - ___ ________ 2009 г.

Защита - до __ ______ 2009 г.

Задание выдал:                                                            Задание получил:

доцент каф. 203                                                           студент гр. 250М

Содержание

Задание

.          Расчет основных параметров системы охлаждения

.1 Расчет греющей температуры 

.2 Создание конечно-элементной расчетной сетки

2. Схема подвода и распределения воздуха

. Расчет граничных условий теплообмена

. Расчет поля температур

. Расчет напряженного состояния

Вывод

Список использованной литературы

1. расчет основных параметров системы охлаждения

.1 Расчёт «греющей» температуры

Лопатка турбины является одной из наиболее ответственных деталей авиационного газотурбинного двигателя, в значительной степени определяющей его экономичность, надежность, ресурс и другие характеристики. В современных газотурбинных двигателях температура рабочего тела (газа) превышает рабочую температуру материала лопаток, поэтому для обеспечения работоспособности лопаток создают систему воздушного охлаждения. Выбирая схему охлаждения, следует учитывать опыт создания уже реализованных и хорошо зарекомендовавших себя в эксплуатации конструкций, а так же технологические возможности производства, новейшие достижения в этой области.

Т.к. температура газа 1275К, охлаждать лопатки турбины не будем.

Рабочие лопатки работают в газовом потоке с некоторой температурной неоднородностью. Но она несущественна, так как осредняется из-за высокой частоты вращения. Поэтому можно учитывать только радиальную неоднородность потока, полагая, что для среднего сечения коэффициент радиальной неоднородности потока η=0,05.

Греющая температура:

Рисунок 1 - Поперечное сечение неохлаждаемой лопатки.

1.2 Создание конечно-элементной расчетной сетки

Создание сетки производим на ЭВМ с помощью подмодуля САПР “Расчетная сетка”. Этот подмодуль является частью САПР охлаждаемых лопаток турбин и предназначен для автоматизированного построения сетки триангуляционных (треугольных) элементов внутри плоской многосвязанной области для решения уравнений теплопроводности и термонапряженного состояния.

Создаем файл “Описание контура” bu.st, содержащий описание наружного контура расчетной области координатами опорных точек. При создании описания придерживаемся следующих правил:

. Сечение лопатки должно располагаться в первом квадранте координатной системы так, чтобы для координат любой точки выполнялось условие Х>0, Y>0.

. Количество опорных точек должно быть минимальным (достаточным для описания контура прямолинейными отрезками).

. Задаются координаты опорных точек наружного контура при обходе его от произвольной точки против часовой точки.

Программа “Создание расчетной сетки” Grid1.exe - основная рабочая программа подмодуля. После запуска программа запрашивает имя файла с описанием контура. Задаем bu.st. В результате работы программы создается файл bu.set, содержащий информацию о созданной сетке в форме, пригодной для межпрограммного обмена.

Изображение полученной сетки приведено на рисунке 2.

Рисунок 2 - Конечно-элементная сетка

2. Схема подвода и распределение воздуха

Для обеспечения эффективной работы турбины достаточно применения охлаждения СА лопатки 1 и 2 ступени, а также полотна дисков, замки и ножки рабочих лопаток обдувают воздухом поступающим из зоны вторичного воздуха камеры сгорания.

Рисунок 3 -Схема подвода охлаждающего воздуха

3. Расчет граничных условий теплообмена

Типичная эпюра изменения коэффициента теплоотдачи по ободу профиля приведена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Эпюра коэффициентов теплоотдачи на профиле лопатки

Максимум теплоотдачи находится в точке разветвления потока на входной кромке. Далее по обеим сторонам профиля по мере формирования ламинарного пограничного слоя коэффициент теплоотдачи уменьшается, достигая минимума на расстоянии Хн от входной кромки в точках начала перехода ламинарного течения в турбулентное. Начало перехода связано с достижением критического значения числа Рейнольдса. Второй максимум теплоотдачи на расстоянии Хк от входной кромки связан с возникновением турбулентного пограничного слоя. Координата Хк соответствует выражению:

В предварительных расчетах точки Хн и Хк совмещают, считая, что период от ламинарного к турбулентному тече нию происходит в одной точке Хн=Хк, соответствующей значению Reкр=105.

Для определения точки перехода потока из ламинарного в турбулентный на профиле лопатки, используем зависимость по Рейнольдсу, для Reкр =105:

Находим :

 м,

 - вязкость среды

259,2 м/с

 - плотность газа.

лопатка охлаждение воздух теплообмен

Найденное расстояние больше чем размеры профиля лопатки, таким образом не будет точки перехода из ламинарного движение в турбулентное.

Расчёт проводится с помощью программы GRU.EXE. Исходные данные необходимые для проведения расчета занесены в таблицу 2. Результаты расчета сохранены в файле GRUREZ.TXT, распечатка которого приведена в таблице 3.

Таблица 2 - Исходные данные для расчета коэффициентов теплоотдачи

РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕТОВ НАРУЖНОГО ТЕПЛООБМЕНА

Геометрические характеристики профиля:

диаметp входной кpомки мм 8.800000E-01

хоpда лопатки мм 13.620000

угол потока на входе Град 38.700000

угол потока на выходе Град 22.900000

длина лопатки мм 30.500000

сpедний диаметp мм 302.000000

Параметры рабочего тела :

темпеpатуpа К T1= 1180.000000 T2= 1180.000000

давление МПа P1= 5.980000E-01 P2= 4.770000E-01

скopость м/с W1= 259.200000 W2= 449.000000асчетный pадиус мм 151.000000

обоpоты туpбины об/мин 19700.000000

Таблица 3 -Результаты расчета коэффициентов теплоотдачи

PЕЗУЛЬТАТ PАСЧЕТА

│ входная кpомка 8533.928000 Bт/м**2*K │

│ сpедняя часть пpофиля │

│ коpыто 3030.434000 Bт/м**2*K │

│ спинка 2424.347000 Bт/м**2*K │

│ выходная кромка пpофиля │

│ коpыто 2816.319000 Bт/м**2*K │

│ спинка 2468.832000 Bт/м**2*K │

4. Расчет поля температуры

Для определения напряженного состояния лопаток в условиях неравномерного нагрева на этапах рабочего проектирования выполняют детальный расчет температурных полей в поперечных сечениях лопатки на наиболее опасном режиме.

Создаем файл исходных данных bu.tm:

1 - тип задачи (нестационарная, плоская)

,4

,0

4 - количество отрезков задания теплоотдачи

28 49 52

- коэффициент теплоотдачи на входной кромке

- коэффициент теплоотдачи на ламинарном участке спинки

- коэффициент теплоотдачи на ламинарном участке корытца

- коэффициент теплоотдачи на входной кромке

60

1

1 - количество отрезков задания температуры среды

- «греющая» температура , 0С

60

1

700 1000 - приближение по температуре лопатки, задание линейного изменения коэффициента теплопроводности

- коэффициент теплопроводности при первой температуре

- коэффициент теплопроводности при второй температуре

Материал лопатки: сплав ЖС6-К.

После ввода исходных данных рассчитываем температурные поля с помощью программы Grid2.exe. Результаты расчета bu.tem.

Для визуального просмотра температурного поля запускаем программу “Изображение поля” izol.exe, которая осуществляет построение на экране монитора до 16 изолиний поля параметра, рассчитанного в узлах триангуляционной сетки. Заносим в командную строку поочередно следующие файлы: izol.exe bu.set bu.tem. Результаты расчета приведены на рисунке 5-7.

Рисунок 5 - Распределение изотермических полей температур в неохлаждаемой лопатке по времени 0,4секунды.

Рисунок 6 - Распределение изотермических полей температур в неохлаждаемой лопатке по времени 29,2 секунд.

Рисунок 7 - Распределение изотермических полей температур в неохлаждаемой лопатке по времени 60секунд.

5. Расчет термонапряженного состояния

В пределах упругости материала напряжения от внешних сил и неравномерного нагрева можно рассчитать независимо.

Напряжения от действия центробежных сил в точке сечения лопатки с координатами Х,Y относительно главных осей жесткости находятся по формуле:

 ,

где  - центробежная сила, приложенная к сечению, Е(Х,У) - модуль упругости, dF(X,Y) - элементарная площадка. Центробежную силу найдем по формуле:

, где

 - площадь среднего сечения лопатки,

L - длина лопатки,

Vб - обьем бандажной полки,

- плотность материала лопатки,

- частота вращения, - средний радиус.

Напряжение о изгиба газодинамическими и центробежными силами:

,

где Мх, My - изгибающие моменты.

Изгибающие моменты от действия газовых сил определим следующим образом:

 кг∙см;

кг∙см.

Где Pu - величина интенсивности газовых сил в окружном направлении,

Ра - величина интенсивности газовых сил в осевом направлении.

Температурные напряжения рассчитываются по формуле Биргера-Малинина. Входящие в формулы поверхностные интегралы рассчитываются численно по триангуляционной сетке.

Ресурс газотурбинного двигателя составляет 7500 часов. Тогда при средней длительности полета 2 часа это составит 3750 полетов. При этом на один такой полет приходится 3 минуты работы двигателя на максимальном режиме. Тогда всего за весь жизненный цикл двигателя лопатка находится в таком состоянии 3750·3=11250 мин или 190 часов. Таким образом, назначаем ресурс проектируемой лопатки 190 часов.

Расчет производим на ЭВМ с помощью подмодуля “Термонапряженное состояние”. Этот подмодуль рассчитывает поле напряжений, запасы прочности и другие величины, характеризующие плосконапряженное состояние, при длительном воздействии центробежных сил, изгибающего момента и неравномерного нагрева. В текстовом редакторе производим редактирование файла исходных данных для расчета термонапряженного состояния (Setax.dat). Расчет термонапряженного состояния выполняем с помощью программы GRID3.EXE. Исходный файл SETAX.DAT (таблица 3).

Таблица 3 - Исходный файл SETAX.DAT

bu.set Сетка МКЭ

.dat Материал

1 1

4 3 Нагрузки: 2*N кГ, 2*Mx кГ*см, 2*My кГ*см

Продолжительность работы, час

Продолжительность работы, час

Для расчета термонапряженного состояния запускаем программу Grid3.exe. Это основная программа подмодуля, которая осуществляет расчет поля напряжений.

После запроса указываем имя файла, содержащего данные о температурном поле лопатки (bu.tem). Результат будет занесен в файл с именем bu.sig. Максимальная температура 940,5 0С. По результатам расчета построим зависимость коэффициента запаса прочности от времени прогрева профиля рабочей лопатки турбины (рисунок 7). Проанализировав график зависимости коэффициента запаса прочности и времени прогрева профиля рабочей лопатки турбины можно сделать вывод, что после 16 секунд работы коэффициент запаса устанавливается постоянным, самый минимальный запас прочности на установившемся режиме равен 2,2208.

Вывод

В результате выполнения домашнего задания по предмету «Системы охлаждения» была разработана конструкция неохлаждаемой лопатки первой ступени турбины ТВаД. По ходу проекта были рассчитаны «греющая» температура, граничные условия теплообмена, поле температур, напряженное состояние. Максимальная температура 940,5 0С. Проанализировав график зависимости коэффициента запаса прочности и времени прогрева профиля рабочей лопатки турбины можно сделать вывод, что после 16 секунд работы коэффициент запаса устанавливается постоянным, самый минимальный запас прочности на установившемся режиме равен 2,2208.

По результатам расчетов построен график распределения коэффициентов запаса в зависимости от времени прогрева рабочей лопатки.

список литературы

1.         А. В. Олейник, С. Ю. Шарков, «расчет теплового и термонапряженного состояния охлаждаемых лопаток турбин», Харьков «ХАИ»,1995г.

2.       «Руководство по технической эксплуатации ТВ3-117», книга3.