Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины

Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского "ХАИ"

Исследование термонапряжённого состояния охлаждаемой лопатки ТРДД

Харьков

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

на исследование термонапряженного состояния охлаждаемой лопатки ТВаД

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

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

3. ЦЕЛЬ исследования: Оптимизация термонапряженного состояния лопатки

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

температура торможения в относительном движении1350 К;

давление на входе в РК1,06 МПа;

давление на выходе из РК0,732 МПа;

относительная скорость на входе в РК197,3 м/с;

относительная скорость на выходе из РК529,5 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 газогенератор23,42 кг/с;

отбор воздуха на охлаждение лопатки 2,5%

хорда профиля в среднем сечении27,3 мм;

радиус входной кромки 1,365 мм;

высота лопатки38 мм;

угол входа 54,19 град;

угол выхода19,15 град^;

угол установки профиля 53,8 град;

частота вращения 16100 об/мин;

средний диаметр519 мм;

интенсивность газовых сил:

в окружном направлении15700 Н/м;

в осевом направлении9140 Н/м;

радиус подвода воздуха 202 мм;

число лопаток 72;

шаг 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.

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

6. 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.

ВЫПОЛНЯЕМЫЕ РАБОТЫ	% готовности
1. Подготовка и анализ исходных данных. Расчеты греющей и охлаждающей температур. Уточнение отбора воздуха на охлаждение. Выбор схемы охлаждения.	5
2. Разработка схемы подвода и распределения воздуха по сечению. Оценка пропускной способности каналов.	10
3. Создание конечно-элементной расчетной сетки	20
4. Расчет граничных условий теплообмена. Расчет коэффициентов теплоотдачи на наружной поверхности лопатки. Определение точек перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный. Расчет коэффициентов теплоотдачи в каналах охлаждения. Расчет коэффициентов теплоотдачи в перфорационных каналах.	30
6. Расчет греющей температуры воздушной завесы.	40
7. Расчет температурного поля (неохлаждаемый вариант). Расчет температурного поля (охлаждаемый вариант)	45
8. Расчет термонапряженного состояния (неохлаждаемый вариант). Расчет термонапряженного состояния (охлаждаемый вариант). Анализ термонапряженного состояния.	50
9. Оптимизация термонапряженного состояния.	60
10. Расчет температурного поля и термонапряженного состояния оптимального варианта лопатки.	65
12. Оценка ресурса по малоцикловой усталости и длительной прочности.	70
13. Оформление пояснительной записки.	100
14. Сдача работы.

7. 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.

Содержание

• Задание
• 1. Подготовка и анализ исходных данных
• 2. Создание сетки конечных элементов
• 3. Расчет граничных условий теплообмена
• 4. Расчет температурного поля
• 5. Расчет термонапряженного состояния
• 6. Оптимизация термонапряженного состояния
• Вывод
• Список использованной литературы
• лопатка турбина двигатель

1. Подготовка и анализ исходных данных

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.

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 з=0,05.

Греющая температура:

Таким образом, для обеспечения эффективной работы турбины достаточно применения конвективной схемы охлаждения, представленной на рисунке 1.

Рисунок 1 - Поперечное сечение охлаждаемой лопатки.



Охлаждающую температуру находим по формуле:

,

где - температура торможения из-за последней ступени компрессора высокого давления,

Рисунок 2-Схема подвода охлаждающего воздуха

- подогрев воздуха центробежными силами.

/c - окружная скорость,

- радиус подвода охлаждающего воздуха,

- средний радиус,

- конвективный подогрев в магистралях подвода,

Принимаем Т_Л=1200 К.

Определяем эффективность охлаждения

Т.к. температура газа меньше 1450К, выбираем тип охлаждения - конвективный.

По графику 2 [1] определяем расход охлаждающего воздуха - 1,5%.

2. СОЗДАНИЕ сетки конечных элементов

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” den.st, содержащий описание наружного контура расчетной области координатами опорных точек. При создании описания придерживаемся следующих правил:

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

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

3. 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 den.st. В результате работы программы создается файл den.set, содержащий информацию о созданной сетке в форме, пригодной для межпрограммного обмена.

Изображение полученной сетки приведено на рисунке 3.

Рисунок 3 - Конечноэлементная сетка.

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 Re_кр=10⁵.

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

Находим :

м,

- вязкость среды

294,8 м/с

- плотность газа.

Для данного расстояния определяем номер узла конечного элемента на спинке и корыте профиля. На спинке № узла 15, на корыте - 172.

Расчет коэффициентов теплоотдачи на наружном контуре лопатки

Результаты расчета сохранены в файле GRUREZ.TXT, распечатка которого приведена в таблице 2.

Таблица 2

Расчет коэффициентов теплоотдачи в каналах охлаждения

Расчет коэффициентов теплоотдачи в каналах охлаждения лопатки ведем с помощью программы GRYDEF.EXE.

Рассчитываем необходимые исходные данные и заносим их в таблицу 3. Площадь канала и его периметр определяем в пакете КОМПАС-3D V12.

Гидравлический диаметр определяем как отношение:. Расход воздуха в i-м канале: .

Далее заносим полученные данные в программу в диалоговом режиме. В результате работы программы рассчитываются коэффициенты теплоотдачи в каналах охлаждения. Полученные результаты сведены в таблицу 3 и отображены на рисунке 4.

Таблица 3

№ канала	P, мм	F, мм^2	dгидр, мм	Gв, кг/с	, Вт/м2К
1	25,162	28,268	4,5	0,00298	3387,38
2	39,757	43,622	4,4	0,004599	3385,405

Результаты расчета сохранены в файле GRYDEF.TXT, распечатка которого приведена в таблице 4.

Таблица 4

4. Расчет температурного поля

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 den.tm:

-9 1 - тип задачи (стационарная, плоская)

1 8 - количество отрезков задания теплоотдачи

3 15 58 137 172 185 190 227

7694- коэффициент теплоотдачи на входной кромке

2686- коэффициент теплоотдачи на ламинарном участке спинки

2681- коэффициент теплоотдачи на турбулентном участке спинки

3387-коэффициент теплоотдачи в 2-м канале

3124- коэффициент теплоотдачи на ламинарном участке корытца

3358- коэффициент теплоотдачи на турбулентном участке корытца

7694- коэффициент теплоотдачи на входной кромке

3385- коэффициент теплоотдачи в 1-м канале

1 4 - количество отрезков задания температуры среды

58 137 190 227- границы отрезков задания температуры среды

1106- «греющая» температура, ⁰С

360- «охлаждающая» температура, ⁰С

1106- «греющая» температура, ⁰С

360- «охлаждающая» температура, ⁰С

Материал лопатки: сплав ЖС6-К.

После ввода исходных данных рассчитываем температурные поля с помощью программы Grid2.exe. Результаты расчета den.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 den.set den.tem. Результаты расчета приведены на рисунке 5.

Рис.5 - Распределение изотермических полей температур в охлаждаемой лопатке.

5. Расчет термонапряженного состояния

Расчет термонапряженного состояния выполняем с помощью программы GRID3.EXE. Исходный файл SETAX.DAT (см. таблицу 6):

Изгибающие моменты от действия газовых сил определим следующим образом:

кг•см; кг•см.

Ресурс газотурбинного двигателя составляет 600 часов. При этом на весь допускается 10% работы на максимальном режиме. Таким образом, назначаем ресурс проектируемой лопатки 60 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). Исходные данные включают в себя следующие величины:

Таблица 5

den.set Сетка МКЭ

-1

Gs6.dat Материал

1 1 1

2734,7 88,4 18,49 Нагрузки: 2*N кГ, 2*Mx кГ*см, 2*My кГ*см

60 Продолжительность работы, час

60 Продолжительность работы, час

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

Расчет напряжений от действия центробежной силы рассчитываются по формуле , где N - центробежная сила, приложенная к сечению, Е(Х,У) - модуль упругости, dF(X,Y) - элементарная площадка.

Расчет напряжений от действия изгибающих моментов:

.

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

После запроса указываем имя файла, содержащего данные о температурном поле лопатки (den.tem). Результат будет занесен в файл с именем den.sig.

Точка №208 имеет минимальный запас прочности 1,0823.

Результаты расчета приведены на рисунке 6

Рис.6 - Распределение напряжений в охлаждаемой лопатке.

6. Оптимизация термонапряженного состояния

В связи с тем, что спроектированная лопатка не удовлетворяет нормам прочности, применим материал с более высокими прочностными характеристиками.

Расчет температурного поля

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 kор.tm:

-9 1 - тип задачи (стационарная, плоская)

0

1 8 - количество отрезков задания теплоотдачи

3 15 58 137 172 185 190 227

7694- коэффициент теплоотдачи на входной кромке

2686- коэффициент теплоотдачи на ламинарном участке спинки

2681- коэффициент теплоотдачи на турбулентном участке спинки

3387-коэффициент теплоотдачи в 2-м канале

3124- коэффициент теплоотдачи на ламинарном участке корытца

3358- коэффициент теплоотдачи на турбулентном участке корытца

7694- коэффициент теплоотдачи на входной кромке

3385- коэффициент теплоотдачи в 1-м канале

1 4 - количество отрезков задания температуры среды

58 137 190 227- границы отрезков задания температуры среды

1106- «греющая» температура, ⁰С

360- «охлаждающая» температура, ⁰С

1106- «греющая» температура, ⁰С

360- «охлаждающая» температура, ⁰С

Материал лопатки: сплав ЖС32

После ввода исходных данных рассчитываем температурные поля с помощью программы Grid2.exe. Результаты расчета den1.tem.

Расчет термонапряженного состояния

Расчет термонапряженного состояния выполняем с помощью программы GRID3.EXE. Исходный файл SETAX.DAT (см. таблицу 6):

Исходные данные включают в себя следующие величины:

Таблица 6

den.set Сетка МКЭ

-1

Gs32.dat Материал

1 1 1

2734,7 88,4 18,49 Нагрузки: 2*N кГ, 2*Mx кГ*см, 2*My кГ*см

60 Продолжительность работы, час

60 Продолжительность работы, час

После запроса указываем имя файла, содержащего данные о температурном поле лопатки (den1.tem). Результат будет занесен в файл с именем den1.sig.

Точка №207 имеет минимальный запас прочности 1,5998.

Так как полученный запас превышает рекомендуемый диапазон (1,3…1,33) необходимо уменьшить расход охлаждающего воздуха. Определим коэффициенты запаса (таблица 5):

Таблица 7

Расход охлаждающего воздуха, %	Коэффициент теплоотдачи	Запас прочности
100	3386	1,5998
90	3047	1,5694
80	2709	1,5638
70	2370	1,5671
60	2032	1,5784
50	1693	1,6016
40	1354	1,6266
30	1016	1,6655
20	677	1,37
10	339	0,91435

Распределение запаса прочности по коэффициенту теплоотдачи приведены на графике (рисунок 7):

Рис.7-График изменения запаса прочности лопатки по коэффициенту теплоотдачи

Примем расход охлаждающего воздуха меньше на 15% (Gохл=0,00644

кг/с), в таком случае коэффициент теплоотдачи в канале будет 2878.

Создаем файл исходных данных den15.tm:

-9 1 - тип задачи (стационарная, плоская)

0

1 8 - количество отрезков задания теплоотдачи

3 15 58 137 172 185 190 227

7694- коэффициент теплоотдачи на входной кромке

2686- коэффициент теплоотдачи на ламинарном участке спинки

2681- коэффициент теплоотдачи на турбулентном участке спинки

2878-коэффициент теплоотдачи в 2-м канале

3124- коэффициент теплоотдачи на ламинарном участке корытца

3358- коэффициент теплоотдачи на турбулентном участке корытца

7694- коэффициент теплоотдачи на входной кромке

2878- коэффициент теплоотдачи в 1-м канале

1 4 - количество отрезков задания температуры среды

58 137 190 227- границы отрезков задания температуры среды

1106- «греющая» температура, ⁰С

360- «охлаждающая» температура, ⁰С

1106- «греющая» температура, ⁰С

360- «охлаждающая» температура, ⁰С

Материал лопатки: сплав ЖС32

После ввода исходных данных рассчитываем температурные поля с помощью программы Grid2.exe. Результаты расчета den15.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_den.set_den15.tem. Результаты расчета приведены на рисунке 8.

Рис.8 - Распределение изотермических полей температур в охлаждаемой лопатке.

Результаты расчета термонапряженного состояния приведены на рисунке 9

.

Рис.9 - Распределение напряжений в охлаждаемой лопатке.

Точка №208 имеет минимальный запас прочности 1,5637

Вывод

Была разработана конструкция охлаждаемой лопатки ступени турбины высокого давления ТРДД. В ходе проекта был выбран конвективный тип охлаждения. Проведен расчет термонапряженного состояния лопатки при выбранном материале ЖС-6К в результате, которого был получен минимальный запас прочности 1,0823 (критическая точка №208 находится на стенке канала охлаждения №1). В ходе проведения оптимизации был заменен материал на ЖС-32 и уменьшен расход охлаждающего воздуха на 15%. В результате оптимизации получен минимальный запас прочности 1,5637, что превышает рекомендуемый диапазон (1,3…1,33). Так как допустимым уменьшением расхода охлаждающего воздуха не удалось достичь необходимых значений запаса прочности можно увеличить ресурс работы лопатки. Следует также учитывать, что данное исследование дает приближенные результаты, так как расчет проведен упрощенно и в действительности термонапряженное состояние имеет более сложную структуру распределения.

список литературы

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

2. «Двигатели 1944-2000: авиационные, ракетные, морские, промышленные двигатели», - Москва, «АКС-Конверсалт», 2000 г.

Размещено на Allbest.ru