Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Украины

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

Расчетная работа

исследование термонапряженного состояния охлаждаемой лопатки ТРДД

Харьков 2005 год

Техническое задание

на проведение расчетно-конструкторского исследования

Тема (общая): Лопатка 1-ой ступени турбины ТРДД тягой 133 кН на максимальном режиме

Тема (частные): Исследование возможности увеличения ресурса.

1. Объект исследования: рабочая лопатка 1-й ступени турбины ротора высокого давления.

2. Условия применения: двухвальный ТРДД тягой на взлетном режиме 133 кН (М=0, Н=0) для истребителя-перехватчика.

3. Цель исследования: увеличение ресурса.

4. Основные исходные данные: результаты проектирования по теории лопастных машин и конструкции двигателей, НИРС:

температура торможения в относительном движении - Тw1=1330К

давление на входе в РК (полное) - Р^*₁=1,44МПа

давление на выходе из РК (полное) - Р^*₂=0,802МПа

относительная скорость на входе в РК - W₁=238м/с

относительная скорость на выходе из РК - W₂=470м/с

температура торможения за компрессором

(в ступени отбора воздуха) - Т_К=765К

расход газа через газогенератор - G_Г=76,6кг/сек

отбор воздуха на охлаждение - 6,1%

хорда профиля - b=11,6

радиус входной кромки - r1=1мм

высота лопатки - h=21мм

угол входа - ₁=58⁰

угол выхода - ₂=22,8⁰

угол установки профиля - _У=59,4⁰

частота вращения - n_рвд=10824об/сек

средний диаметр - D_ср=616мм

интенсивность газовых сил в окружном направлении - Р_U= 6475 Н/м

в осевом направлении - P_U=7335 Н/м

радиус подвода воздуха - R_{ПОДВОДА} =155мм

число лопаток - Z_РК=85

шаг решетки - t=23мм

угол диффузорности проточной части - 10⁰

данные для вычерчивания наружного контура корневого, среднего

и периферийного сечений - см. табл. 2;

В процессе исследования исходные данные могут уточнятся 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 теплопередачи и греющей температуры) по контуру лопатки;

конечно-элементная расчетная сетка;

диаграммы термонапряженного состояния (неохлаждаемый, охлаждаемый и 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.zap и др.

Таблица 1.

Выполняемые работы	% готовности
Подготовка и анализ исходных данных. Выбор пути совершенствования конструкции Создание конечно-элемнтной расчетной сетки Расчет граничных условий теплообмена Расчет коэффициентов теплоотдачи в каналах охлаждения Расчет коэффициентов теплоотдачи в перфорационных каналах. 4. Расчет греющей темпеатуры воздушной завесы. Расчет температурного поля (неохлаждаемый вариант) . Расчет температурного поля (охлаждаемый вариант. Расчет термонапряженного состояния (неохлаждаемый вариант). Расчет термонапряженного состояния (охлаждаемый вариант). Анализ термонапряженного состояния. Оптимизация термонапряженного состояния (по необходимости). Расчет температурного поля и термонапряженного состояния оптимального варианта лопатки. Оценка ресурса по малоцикловой усталости и длительной прочности. Оформление записки. Сдача работы.	5 15 25 40 45 50 55 65 90 100

1. Подготовка и анализ исходных данных

Исходными данными служат результаты расчетной работы по курсу НИРС "Исследование термонапряженного состояния охлаждаемой лопатки ТРДД".

Охлаждающая температура: 562 ⁰С

Греющая температура: =1358 ⁰С=1631К,

Расход охлаждающего воздуха: 2%

Для снижения температуры лопатки применили следующие виды охлаждения:

- конвективное в каналах охлаждения;

- перфорационное охлаждение входной кромки;

- перфорационно-щелевое охлаждение выходной кромки.

Результаты показали, что критическая точка - на входной кромке. Минимальный коэффициент запаса к=1,297. Ресурс 210 часов.

Так как расчет перфорационного охлаждения был приближенным (не учитывалось охлаждение в перфорационных отверстиях путем создания эквивалентных каналов), то в данной работе необходимо произвести уточненный расчет перфорационного охлаждения и повысить ресурс лопатки.

температура лопатка перфорационный охлаждение

2. Создание конечно-элементной расчетной сетки

Исходный профиль лопатки и охлаждающие каналы берем из расчетной работы по курсу НИРС "Исследование термонапряженного состояния охлаждаемой лопатки ТРДД". В районе перфорационных отверстий температурное поле трехмерно. Чтобы свести задачу к двухмерной, проводят расчет осредненного в пределах шага перфорации температурного поля. С этой целью каждый ряд перфорационных отверстий заменяют одним радиальным каналом прямоугольного сечения, центры которых равномерно распределяют по проекциям оси отверстия на расчетное сечение (Рис. 1).

Размеры отверстий находим из соотношений:

; ,

где =1 мм - толщина стенки лопатки;

d =0,25 мм - диаметр отверстия перфорации;

t=0,75мм - шаг перфорации.

0,33 мм; 0,083 мм.

Вносим в файл OLENICH.ST координаты четырех перфорационных отверстий и редактируем с помощью программы DELO53. BAT.

Создаем сетку с помощью программы GRID1.EXE создаем конечно - элементную сетку OLENICH.SET.

Рис. 1

3. Расчет граничных условий теплообмена

Расчет коэффициентов теплоотдачи на наружной поверхности лопатки

Коэффициенты теплопередачи берем из расчетной работы по курсу НИРС "Исследование термонапряженного состояния охлаждаемой лопатки ТРДД".

Результаты расчета сохранены в файле GRUREZ.TXT, распечатка которого приведена в таблице 1.

Таблица 1

РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТОВ НАРУЖНОГО ТЕПЛООБМЕНА Геометрические характеристики профиля: диаметр входной комки мм 3.600000 хорда лопатки мм 29.100000 угол потока на входе Град 45.500000 угол потока на выходе Град 24.000000 длина лопатки мм 76.000000 средний диаметр мм 616.000000 Параметры рабочего тела : темпеpатуpа К T1=1631.000000 T2=1620.000000 давлениеМПа P1=1.880000 P2=1.180000 скopостьм/с W1=224.000000 W2=470.000000 pасчетный pадиус мм308.000000 обоpоты туpбины об/мин 10824.000000 -------------- PЕЗУЛЬТАТ PАСЧЕТА ---------------- | коэффициентов теплоотдачи по участкам| | входная кpомка 9598.563000 Bт/м**2*K| | сpедняя часть пpофиля| | коpыто 4144.302000 Bт/м**2*K| | спинка 3315.442000 Bт/м**2*K| | выходная кромка пpофиля| | коpыто4333.504000 Bт/м**2*K | | спинка3708.405000 Bт/м**2*K |

Расчет коэффициентов теплоотдачи в каналах охлаждения

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

Нумерация каналов приведена на рис. 2.

Рис. 2

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

Таблица 2

НОМЕР КАНАЛА = 1 РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕТОВ ВНУТРЕННЕГО ТЕПЛООБМЕНА характерный размер канала мм2.100000 площадь сечения канала мм**24.670000 радиус кривизны канала мм999999.000000 частота вращения об/мин10824 Параметры охладителя : расход воздуха кг/с1.900000E-03 температура воздуха К765.000000 температура стенкиК1250.000000 давление в каналеПа2000000.000000 РЕЗУЛЬТАТ РАСЧЕТА Г коэффициент теплоотдачи 2957.286000 Г Bт/м**2*K НОМЕР КАНАЛА = 2 РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕТОВ ВНУТРЕННЕГО ТЕПЛООБМЕНА характерный размер канала мм4.500000 площадь сечения канала мм**220.000000 радиус кривизны канала мм999999.000000 частота вращения об/мин10824 Параметры охладителя : расход воздуха кг/с8.320000E-03 температура воздуха К765.000000 температура стенкиК1250.000000 давление в каналеПа2000000.000000 РЕЗУЛЬТАТ РАСЧЕТА Г коэффициент теплоотдачи 2759.085000 Г Bт/м**2*K НОМЕР КАНАЛА = 3 РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕТОВ ВНУТРЕННЕГО ТЕПЛООБМЕНА характерный размер канала мм4.600000 площадь сечения канала мм**220.200000 радиус кривизны канала мм999999.000000 частота вращения об/мин10824 Параметры охладителя : расход воздуха кг/с8.400000E-03 температура воздуха К765.000000 температура стенкиК1250.000000 давление в каналеПа2000000.000000 РЕЗУЛЬТАТ РАСЧЕТА Г коэффициент теплоотдачи 2752.715000 Г Bт/м**2*K НОМЕР КАНАЛА = 4 РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕТОВ ВНУТРЕННЕГО ТЕПЛООБМЕНА характерный размер канала мм3.300000 площадь сечения канала мм**223.000000 радиус кривизны канала мм999999.000000 частота вращения об/мин10824 Параметры охладителя : расход воздухакг/с9.570000E-03 температура воздуха К765.000000 температура стенкиК1250.000000 давление в каналеПа2000000.000000 РЕЗУЛЬТАТ РАСЧЕТА Г коэффициент теплоотдачи 2847.148000 Г Bт/м**2*K

Расчет коэффициентов теплоотдачи в перфорационных каналах охлаждения

Граничные условия на контуре заменяющего канала задаются из условия эквивалентности теплоотдачи в нем теплопередаче в отверстиях перфорации. Эквивалентность будет достигнута, если температуру воздуха в канале принять равной температуре воздуха в перфорации, а коэффициенты теплопередачи в канале и перфорации будут связаны соотношением:

,

где =1 мм - длина одного отверстия.

Коэффициент теплопередачи в перфорационных каналах находим среднее арифметическое в охлаждающих каналах:

2828.

=3609

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 (обычно взлетном) режиме.

Исходный файл температурного состояния берем из "Исследование термонапряженного состояния охлаждаемой лопатки ТРДД".

Добавляем еще один участок, на котором задаем коэффициент теплопередачи в заменяющем канале.

Так как сетка изменена, то исправляем номера узлов, соответствующие новой сетке.

Введение заменяющих каналов в сетку не повлияет на действие завес на наружный контур.

Создаем файл исходных данных OLENICH.tm:

-9 1 - тип задачи (стационарная, плоская)

0

1 13 - количество отрезков задания теплоотдачи

5 27 57 78 94 95 99 106 132 154 195 211

9598 - коэффициент теплоотдачи на входной кромке

3315 - коэффициент теплоотдачи на ламинарном участке спинки

3708 - коэффициент теплоотдачи на турбулентном участке спинки

4144 - коэффициент теплоотдачи на ламинарном участке корытца

4333 - коэффициент теплоотдачи на турбулентном участке корытца

9598 - коэффициент теплоотдачи на входной кромке

8547 - - коэффициент теплоотдачи с учетом струйного охлаждения

2957 - коэффициент теплоотдачи в 1-м канале

2759 - коэффициент теплоотдачи в 2-м канале

2752 - коэффициент теплоотдачи в 3-м канале

2847 - коэффициент теплоотдачи в 4-м канале

3609 -- коэффициент теплоотдачи в заменяющих каналах

462 - «охлаждающая» температура, ⁰С

Материал лопатки: сплав ЖС6-К

Расчет температурного поля на наружной поверхности производим с помощью программы OHLAGD.EXE. Создаем на спинке две перфорационные завесы (SPINKA.TM, см. табл. 3) и на корытце две перфорационные и перфорационно-щелевую (KORITO.TM, см. табл. 4).

Полученные температуры на спинке и на корытце заносим в файл OLENICH1.TM (см. таблицу 5). Производим расчет температурного поля GRID2.EXE).Результаты расчета программа помещает в файл OLTNICH.tem. Для просмотра результата используем программу Lyn.exe.

Таблица 3

HA CПИHKE число отрезков 57 1358.0 1158.0 1095.9 928.7 970.8 991.9 1010.7 1032.9 1052.1 1068.9 1083.7 1097.2 1109.2 1120.1 1129.1 1137.2 1144.8 1151.5 1157.7 1163.5 1169.3 1174.8 1179.9 1184.4 1188.6 1192.6 1196.7 1200.6 1204.3 1208.5 1212.3 1216.0 1218.7 1221.3 1223.9 1226.9 1229.9 1232.1 1234.2 1236.2 1238.6 1240.9 1243.1 1245.3 1247.3 1249.3 1251.3 1253.1 1254.9 1256.7 1258.5 1260.2 1261.5 1262.8 1264.0 1264.9

Таблица 4

944.4 935.0 917.6 898.3 874.5 847.1 815.3 1226.5 1223.1 1219.8 1216.4 1212.7 1208.9 1205.2 1201.4 1197.3 1193.0 1187.6 1181.8 1175.4 1170.0 1164.1 1157.8 1150.5 1142.4 1133.6 1124.7 1114.9 1104.1 1093.4 1081.8 1068.8 1053.3 1036.1 1016.2 991.8 963.6 1127.4 1110.8 1358.0

Таблица 5

-9 1 0 1 12 4 26 56 77 93 96 99 107 109 132 154 194 9598 3315 3708 4144 4333 9598 8547 2957 8547 2393 2752 2847 1 3 -56 -96 194 1358.0 1158.0 1095.9 928.7 970.8 991.9 1010.7 1032.9 1052.1 1068.9 1083.7 1097.2 1109.2 1120.1 1129.1 1137.2 1144.8 1151.5 1157.7 1163.5 1169.3 1174.8 1179.9 1184.4 1188.6 1192.6 1196.7 1200.6 1204.3 1208.5 1212.3 1216.0 1218.7 1221.3 1223.9 1226.9 1229.9 1232.1 1234.2 1236.2 1238.6 1240.9 1243.1 1245.3 1247.3 1249.3 1251.3 1253.1 1254.9 1256.7 1258.5 1260.2 1261.5 1262.8 1264.0 1264.9 944.4 935.0 917.6 898.3 874.5 847.1 815.3 1226.5 1223.1 1219.8 1216.4 1212.7 1208.9 1205.2 1201.4 1197.3 1193.0 1187.6 1181.8 1175.4 1170.0 1164.1 1157.8 1150.5 1142.4 1133.6 1124.7 1114.9 1104.1 1093.4 1081.8 1068.8 1053.3 1036.1 1016.2 991.8 963.6 1127.4 1110.8 1358.0 462 700 700 1000 20 23 4100 6400



Рис. 3

Проведя уточненный расчет температурного поля, получил максимальную температуру на хвостовике лопатки (1066⁰С ), что совпадает с упрочненным расчетом, так как заменяющие каналы не повлияли на хвостовик лопатки. Наблюдается отбор тепла завесой (изотермы под углом).

На входной кромке температура составила 900⁰С, что меньше на 87 градусов по сравнению с упрощенным расчетом (987⁰С).

Минимальная температура (634⁰С) наблюдается на стенке между 1-им и 2-ым каналами по средней линии профиля (максимальное расстояние от наружной поверхности и хорошее охлаждение охлаждение). Это связано с влиянием заменяющих каналов. При упрощенном расчете минимальная температура (642⁰С) наблюдалась на стенке между 3-им и 4-ым каналами по средней линии профиля

В целом, температура лопатки на входной кромке упала по сравнению с упрощенным расчетом.

5. Расчет термонапряженного состояния

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

OLTNICH.set - файл КЭ сетки

gs32.dat - файл прочностных свойств материала детали

1 1 1 - тип расчета (упругий, без учета ползучести)

=6475*0,036²*0.5=4.67Н*м=46.7 кг*см

=53 кг*см

Таблица 6

olenich1.set Сетка МКЭ -1 gs32.dat Материал 1 1 1 2098 96 106 Нагрузки: 2*N кГ, 2*Mx кГ*см, 2*My кГ*см 200 Продолжительность работы, час 200 Продолжительность работы, час

Для просмотра результата используем программу Lyn.exe.



Рис. 4

Рассмотрим термонапряженное состояние лопатки при уточненном расчете:

Максимальное (растягивающее, положительное) напряжение составило 505 МПа (перемычка между 3-им и 4-ым каналами).

Минимальное (сжимающее, отрицательное) напряжение составило 168 МПа (входная кромка).

Места расположения минимального и максимального напряжений в упрощенном и уточненном расчетах совпадают.

Максимальное напряжение немного упало:

13 МПа

=2,5%.

Минимальное напряжение существенно уменьшилось:

97 МПа

36%

Учет теплообмена в перфорационных каналах привел к снижению напряжений на входной кромке на 36%.

6. Оптимизация термонапряженного состояния

Оптимизацию термонапряженного состояния проводим с помощью программы ANALIZE.EXE.

Задаем ресурс на максимальном режиме 200 часов.

Двигатель Д30-Ф6 устанавливается на истребителе-перехватчике МиГ-31. На максимальном режиме работает 10 мин за полет (2 мин на взлетном режиме и 10 мин на форсажном режиме). Находим ресурс двигателя:

часов.

В результате анализа получили ресурс двигателя в 1000 часов, что удовлетворяет требованиям, предъявляемым к самолетам данного типа.

Рис. 5



Рис. 6

Критическая точка №56 (на выходной кромке) имеет максимальную температуру. В этой точке коэффициент запаса составил 1,4.

По сравнению с упрощенным расчетом критическая точка (№1) на входной кромке лежит далеко от допустимой границы. Это позволило поднять ресурс двигателя на максимальном режиме с 35 часов до 200.

Заключение

В результате выполнения работы был проведен уточненный расчет охлаждаемой лопатки. Целью выполнения проекта являлось выполнение эскизного проекта охлаждаемой лопатки, представленного на листе формата А1.

Критическая точка - на выходной кромке. Минимальный коэффициент запаса к=1,4. Ресурс 1000 часов.

Спроектированная лопатка удовлетворяет требованиям современной авиации и технологическим возможностям производства.

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