Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Украины

Национальный аэрокосмический университет

им Н.Е. Жуковского "ХАИ"

Исследование термонапряжённого состояния охлаждаемой лопатки ГТД

Харьков 2008

Содержание

• Задание
• 1. Расчет теплового состояния охлаждаемой лопатки
• 1.1 Расчет греющей и охлаждающей температур
• 1.2 Расчёт коэффициента теплоотдачи на наружной поверхности лопатки

1.3 Расчёт коэффициента теплоотдачи в каналах охлаждения

1.4 Создание расчётной сетки

1.5 Расчёт температурного поля охлаждаемой лопатки

2. Расчёт термонапряжённого состояния лопатки

2.1 Расчет сил и моментов, действующих на перо лопатки

2.2 Определение ресурса лопатки

2.3 Расчёт термонапряжённого состояния лопатки

Выводы

Список литературы

Задание

на исследование термонапряженного состояния охлаждаемой лопатки ТВаД

1. ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ: Рабочая лопатка 1-й ступени турбины ротора высокого давления.

2. УСЛОВИЯ ПРИМЕНЕНИЯ: Трёхвальный ТВаД наземного применения мощностью Ne= 10,7 МВт.

3. ЦЕЛЬ исследования: Исследование термонапряженного состояния лопатки

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

температура торможения в относительном движении 1210 К;

давление на входе в РК 0,984 МПа;

давление на выходе из РК 0,649 МПа;

относительная скорость на входе в РК 248 м/с;

относительная скорость на выходе из РК 550 м/с;

температура торможения за компрессором

(в ступени отбора воздуха) 743 К;

полное давление за компрессором (в ступени отбора) 0,216 МПа;

расход газа через газогенератор 40,8 кг/с;

отбор воздуха на охлаждение 1,5 %;

хорда профиля в среднем сечении 24,5 мм;

радиус входной кромки 1,5 мм;

высота лопатки 49 мм;

угол входа 46,8 ⁰;

угол выхода 20,5 ⁰ ;

угол установки профиля 63,8 ⁰;

частота вращения 14800 об/мин;

средний диаметр 590 мм;

интенсивность газовых сил

в окружном направлении 6427 Н/м;

в осевом направлении 8016 Н/м;

радиус подвода воздуха 176 мм;

число лопаток 87шт;

шаг решетки 21,52 мм;

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

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

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

7.1. 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 с указанием критической точки;

диаграммы термонапряженного состояния (неохлаждаемый, начальный вариант, оптимальный варианты);

поле температуры и напряжений оптимального варианта.

7.2. В записке должны быть приведены распечатки файлов с исходными данными и результатами расчетов: Grurez.txt, Grudef.txt, Sirenko1.st, Sirenko1.tm, и др.

7.3. Текст должен быть набран на компьютере. Рекомендуемый шрифт - Times New Roman, интервал - обычный, размер - 12 или 14. Межстрочный интервал - одинарный или полуторный.

Таблица 1

термонапряженный лопатка двигатель теплоотдача

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 не позднее, чем за два дня до установленного срока сдачи.

8. СРОКИ ВЫПОЛНЕНИЯ: Начало выполнения - 22 сентября 2008 г.

Защита - до 15декабря 2008 г.

1. Расчет теплового состояния охлаждаемой лопатки

1.1 Расчет греющей и охлаждающей температур

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.

В качестве параметра, характеризующего эффективность различных схем охлаждения, используют величину, называемую глубиной охлаждения:

.

Важнейшими параметрами для проектирования охлаждаемой лопатки являются "греющая" температура Т_ГР и "охлаждающая" температура воздуха на входе в лопатку Т_ОХЛ.

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

Таким образом, исходя из рекомендаций [1] при для обеспечения эффективной работы турбины достаточно применения конвективной схемы охлаждения, которая изображена на рисунке 1.



Рисунок 1 - Поперечное сечение конвективно охлаждаемой лопатки.

Температура охлаждающего воздуха зависит от способа его подвода. В данном случае (см. рисунок 1) подвод воздуха осуществляется из-за последней ступени компрессора высокого давления через систему отверстий со спутной закруткой. Охлаждающую температуру определяем по формуле:

где - температура торможения за последней ступени компрессора высокого давления, - изменение температуры вследствие спутной закрутки, = -70К. - подогрев воздуха центробежными силами.

Где - окружная скорость, - радиус подвода охлаждающего воздуха, - радиус вывода охлаждающего воздуха, - конвективный подогрев в магистралях подвода,

Из соображений достижения необходимого ресурса турбины (N=50000 часов) [1] принимаем Т_Л=1100 К. Определяем эффективность охлаждения

.

По графику 2 [1] определяем расход охлаждающего воздуха (1,5%), согласно способу охлаждения лопатки (конвективное).

1.2 Расчет коэффициентов теплоотдачи на наружной поверхности лопатки

Максимум теплоотдачи находится в точке разветвления потока на входной кромке. Далее по обеим сторонам профиля по мере формирования ламинарного погранслоя коэффициент теплоотдачи уменьшается, достигая минимума в точке перехода ламинарного слоя в турбулентный. Начало перехода связано с достижением критического числа Рейнольдса.

Второй максимум теплоотдачи связан с возникновением турбулентного погранслоя. Координата Х_К соответствует выражению:

.

Отсюда находим :

где , , 248 м/с.

Расчет коэффициентов теплоотдачи выполняем с помощью ЭВМ. В результате работы программы Gru.exe рассчитываются коэффициенты теплоотдачи на входной кромке, в средней части профиля, на выходной части. Результаты расчета сведены в таблице 3.

Таблица 3 - Результаты расчета коэффициентов теплоотдачи на наружном контуре.

1.3 Расчет коэффициентов теплоотдачи в каналах охлаждения лопатки

Расчет коэффициентов теплоотдачи выполняем на ЭВМ с помощью программы GRY.bat, которая рассчитывает теплоотдачу в каналах при турбулентном течении охлаждающего воздуха. Рассчитываем необходимые исходные данные и заносим их в таблицу 4. Площадь канала и его периметр определяем в пакете КОМПАС v. 10+ ( рисунок 2). 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 5.

Таблица 4 - Исходные данные для расчета коэффициентов теплоотдачи в каналах.

Параметр	Размерность	1 канал	2 канал	3 канал	4 канал
Характерный размер канала	мм	3,45	4,94	4,5	2,4
Площадь сечения канала	мм2	16	20,7	20	12
Периметр канала	мм	18,5	16,75	17,75	20
Расход воздуха	кг/с	0,0016	0,00218	0,0021	0,00126
Радиус кривизны канала	мм	9999	9999	9999	9999
Наличие оребрения	-	0	0	0	0
Съем тепла (1 - симм, 0 - несимм)	-	1	1	1	1
Повороты канала	-	0	0	0	0
Наличие турбулизаторов	-	0	0	0	1

Таблица 5 - Результаты расчета коэффициентов теплоотдачи в каналах

1.4 Создание расчетной сетки

Создание сетки производим на ПК с помощью программы Grid1.exe. Этот подмодуль является частью САПР охлаждаемых лопаток турбин и предназначен для автоматизированного построения сетки триангуляционных (треугольных) элементов.

Создаем файл исходных данных Sirenko.st, где размещена информация о геометрии лопатки. После создания сетки производим ее редактирование. Результаты редактирования записываем в файл Sharkow.st и Sharkow.set. Результаты построения конечноэлементной сетки представлены на рисунке 2.

Рисунок 2 - Конечноэлементная сетка.

1.5 Расчет температурного поля охлаждаемой лопатки

Расчет производим с помощью ЭВМ. В текстовом редакторе создаем файл исходных данных для расчета температурного поля и присваиваем ему имя Sharkow.tm. Файл исходных данных приведен в таблице 6

Таблица 6 - Файл исходных данных Sharkow.tm

-9 1

0

1 10

7 15 62 92 100 102 132 171 203 237

7815

2697

2954

3372

3440

7815

2241

2265

2260

2239

1 2

102 237

960

615

800 700 1000

20

26

4100

6400

После сохранения файла запускаем программу Grid2.exe. Результаты расчета программа заносит в файл Sharkow.tеm. Для визуального просмотра температурного поля используем программу Izol.exe. Результаты расчета показаны на рисунке 3.



Рисунок 3 - Распределение изотермических полей температур в охлаждаемой лопатке.

2. Расчет термонапряженного состояния лопатки

2.1 Расчет сил и моментов, действующих на перо лопатки

На перо лопатки действует центробежная сила Р_цб и изгибающие моменты от действия газовых сил М_x и М_y.

,

где с - плотность материала, с_ЖС6=. Площадь сечения лопатки с учетом вычета площади каналов охлаждения определяем в пакете КОМПАС 10.

Изгибающие моменты от действия газовых сил определим следующим образом:

2.2 Определение ресурса лопатки

Ресурс ТВаД составляет 50000 часов. С учётом того, что двигатель почти всё время работает на номинальном режиме, назначаем ресурс проектируемой лопатки 25000 часов, подразумевая, что за время эксплуатации двигателя будет произведена однократная замена турбины.

2.3 Расчет термонапряженного состояния лопатки

Расчет производим на ЭВМ с помощью программы Grid3.exe. Эта программа 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).

Файл исходных данных приведен ниже в таблице 7:

Таблица 7 - Файл исходных данных для расчета термонапряженного состояния лопатки

Для расчета термонапряженного состояния используем программу Grid3.exe.

Результаты расчета занесены в файл с именем Sharkow.sig. Для визуального просмотра поля заносим в командную строку поочередно следующие файлы: Izol.exe Sharkow.set Sharkow.sg. Результаты расчета приведены на рисунке 4.



Рисунок 4 - Распределение возникающих напряжений в охлаждаемой лопатке.

Рисунок 5 - Анализ термонапряжённого состояния охлаждаемой турбинной лопатки.

Выводы

В ходе выполнения курсовой работы была разработана схема охлаждения рабочей лопатки 1-й ступени турбины ротора высокого давления и проведен расчет её термонапряжённого состояния. После подготовки и анализа исходных данных, мы определили греющую и охлаждающую температуры.

Был, также, проведен расчет коэффициентов теплоотдачи в каналах охлаждения и по наружным поверхностям лопатки. Для расчёта термонапряжённого состояния рассчитали величину сил и моментов, которые действуют на лопатку. При общем времени работе двигателя 50000 часов назначен ресурс лопатки 25000 часов. После проведения анализа установлено, что коэффициент запаса в критической точке 70 составляет 1,76.

Список литературы

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

Размещено на Allbest.ru