Исследование термонапряжённого состояния охлаждаемой лопатки турбореактивного двигателя с форсажной камерой сгорания
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 длительности полёта 2 часа и работе двигателя на взлётном режиме 2 минуты назначен ресурс лопатки 167 часов. После проведения анализа установлено, что коэффициент запаса… Читать ещё >
Исследование термонапряжённого состояния охлаждаемой лопатки турбореактивного двигателя с форсажной камерой сгорания (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Министерство образования и науки Украины Национальный аэрокосмический университет им Н. Е. Жуковского «ХАИ»
Курсовая работа по теме:
Исследование термонапряжённого состояния охлаждаемой лопатки ТРДФ
Харьков 2008
Техническое задание
Техническое задание на исследование термонапряженного состояния охлаждаемой лопатки ТРДФ
1. ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ: Рабочая лопатка 1-й ступени турбины ротора высокого давления.
2. УСЛОВИЯ ПРИМЕНЕНИЯ: Двухвальный ТРДФ тягой на взлетном режиме 53,1 кН (М=0, Н=0) для боевого самолета.
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 1290К;
давление на входе в РК 0.652МПа;
давление на выходе из РК 0.535МПа;
относительная скорость на входе в РК 198.1м/с;
относительная скорость на выходе из РК 403.2м/с;
температура торможения за компрессором
(в ступени отбора воздуха) 589.2К;
полное давление за компрессором (в ступени отбора) 0.993МПа;
расход газа через газогенератор 67.5кг/с;
отбор воздуха на охлаждение 1.5%;
хорда профиля в среднем сечении 44.7мм;
радиус входной кромки 2.36мм;
высота лопатки 132.5мм;
угол входа 53.850;
угол выхода 24.950 ;
угол установки профиля 55,90;
частота вращения 11 390.5об/мин;
средний диаметр 577 мм;
интенсивность газовых сил в окружном направлении 2039Н/м;
в осевом направлении 5547Н/м;
радиус подвода воздуха 288,5 мм;
число лопаток 47шт;
шаг решетки 38,57 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
Планируемые работы | % готовности | |
1. Подготовка и анализ исходных данных. Расчет греющей и охлаждающей температур, отбора воздуха на охлаждение. Выбор пути совершенствования конструкции. | ||
2. Создание конечно-элементной расчетной сетки. | ||
3. Расчет граничных условий теплообмена. Расчет пропускной способности каналов. Расчет коэффициентов теплоотдачи в каналах охлаждения. Расчет коэффициентов теплоотдачи в перфорационных каналах. | ||
4. Расчет греющей температуры воздушной завесы | ||
5. Расчет температурного поля (охлаждаемый вариант). | ||
6. Расчет термонапряженного состояния (охлаждаемый вариант). Анализ термонапряженного состояния. | ||
7. Оформление пояснительной записки | ||
8. 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 не позднее, чем за два дня до установленного срока сдачи.
8. СРОКИ ВЫПОЛНЕНИЯ: Начало выполнения — 22 сентября 2008 г.
Защита — до 15декабря 2008 г.
Задание выдал: д.т.н., проф каф. 203 «__» сентября 2008 г. | Задание получил: ст. гр. 250 м «___» декабря 2008 г. | |
1. Расчет теплового состояния охлаждаемой лопатки
1.1 Расчет греющей и охлаждающей температур
лопатка ресурс сетка теплоотдача 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.
Исходная геометрия охлаждаемой лопатки, полученная из результатов проектирования по теории лопаточных машин и конструкции двигателей.
В качестве параметра, характеризующего эффективность различных схем охлаждения, используют величину, называемую глубиной охлаждения:
.
Важнейшими параметрами для проектирования охлаждаемой лопатки являются «греющая» температура ТГР и «охлаждающая» температура воздуха на входе в лопатку ТОХЛ.
Рабочие лопатки работают в газовом потоке с некоторой окружной температурной неоднородностью. Но она несущественна, так как усредняется 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 () 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,
= -75К
— подогрев воздуха центробежными силами.
— окружная скорость,
— радиус подвода охлаждающего воздуха,
— длина канала подвода воздуха.
— конвективный подогрев в магистралях подвода, Из соображений достижения необходимого ресурса турбины принимаем ТЛ=1170 К.
Определяем эффективность охлаждения По графику 2 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 ХК соответствует выражению:
Отсюда находим :
где
198,1 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.
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. 8+ (см. 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.
Рисунок 2 — Разбиение лопатки на каналы охлаждения Таблица 2 — Исходные данные для расчета коэффициентов теплоотдачи в каналах
Параметр | Размерность | 1 канал | 2 канал | 3 канал | 4 канал | 5 канал | |
Характерный размер канала | мм | 6,8 | 6,8 | 3,5 | |||
Площадь сечения канала | мм2 | 227,5 | |||||
Периметр канала | мм | 263,5 | |||||
Расход воздуха | кг/с | 0,02 | 0,01 | 0,01 | 0,02 | 0,02 | |
Радиус кривизны канала | мм | ||||||
Наличие оребрения | ; | ||||||
Съем тепла (1 — симм, 0 — несимм) | ; | ||||||
Повороты канала | ; | ||||||
Наличие турбулизаторов | ; | ||||||
Результаты расчета коэффициентов теплоотдачи в каналах НОМЕР КАНАЛА = 1
РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕТОВ ВНУТРЕННЕГО ТЕПЛООБМЕНА
характерный размер канала мм 6.800 000
площадь сечения канала мм**2 455.0
радиус кривизны канала мм 9999.0
частота вращения об/мин 11 390
Параметры охладителя :
расход воздуха кг/с 2.00E-02
температура воздуха К 588.600 000
температура стенки К 1170.0
давление в канале Па 990 000.000000
Г коэффициент теплоотдачи 2511.517 000 Г НОМЕР КАНАЛА = 2
РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕТОВ ВНУТРЕННЕГО ТЕПЛООБМЕНА
характерный размер канала мм 2.0
площадь сечения канала мм**2 130.0
радиус кривизны канала мм 9999.0
частота вращения об/мин 11 390
Параметры охладителя :
расход воздуха кг/с 1.00E-02
температура воздуха К 588.600 000
температура стенки К 1170.0
давление в канале Па 990 000.000000
Г коэффициент теплоотдачи 1713.207 000 Г НОМЕР КАНАЛА = 3
РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕТОВ ВНУТРЕННЕГО ТЕПЛООБМЕНА
характерный размер канала мм 2.0
площадь сечения канала мм**2 130.0
радиус кривизны канала мм 9999.0
частота вращения об/мин 11 390
Параметры охладителя :
расход воздуха кг/с 1.00E-02
температура воздуха К 588.600 000
температура стенки К 1170.0
давление в канале Па 990 000.000000
Г коэффициент теплоотдачи 1713.207 000 Г НОМЕР КАНАЛА = 4
РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕТОВ ВНУТРЕННЕГО ТЕПЛООБМЕНА
характерный размер канала мм 6.800 000
площадь сечения канала мм**2 455.0
радиус кривизны канала мм 9999.0
частота вращения об/мин 11 390
Параметры охладителя :
расход воздуха кг/с 2.00E-02
температура воздуха К 588.600 000
температура стенки К 1170.0
давление в канале Па 990 000.000000
Г коэффициент теплоотдачи 3139.396 000 Г НОМЕР КАНАЛА = 5
РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕТОВ ВНУТРЕННЕГО ТЕПЛООБМЕНА
характерный размер канала мм 3.500 000
площадь сечения канала мм**2 227.500 000
радиус кривизны канала мм 9999.0
частота вращения об/мин 11 390
Параметры охладителя :
расход воздуха кг/с 2.00E-02
температура воздуха К 588.600 000
температура стенки К 1170.0
давление в канале Па 990 000.000000
Г коэффициент теплоотдачи 3110.923 000 Г
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 Sirenko1. st и Sirenko1.set. Результаты построения конечноэлементной сетки представлены на рисунке 3.
Рисунок 3 — 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 Sirenko1.tm.
После сохранения файла запускаем программу Grid2.exe. Результаты расчета программа заносит в файл Sirenko1.tеm. Для визуального просмотра температурного поля используем программу Izol.exe. Результаты расчета показаны на рисунке 4.
Рисунок 4 — Распределение изотермических полей температур в охлаждаемой лопатке
2. Расчет термонеапряженного состояния лопатки
2.1 Расчет сил и моментов, действующих на перо лопатки
На перо лопатки действует центробежная сила Рцб и изгибающие моменты от действия газовых сил Мu и МА.
где с — плотность материала, сЖС6=. Площадь сечения лопатки с учетом вычета площади каналов охлаждения определяем в пакете КОМПАС 8.
Изгибающие моменты от действия газовых сил определим следующим
образом:
;
.
2.2 Определение ресурса лопатки
Ресурс ТРДФ составляет 10 000 часов. Тогда при средней длительности полета 2 часа это составит 10 000 полетов. При этом на один такой полет приходится 2 минуты работы двигателя на взлетном режиме. Тогда всего за весь жизненный цикл двигателя лопатка находится в таком состоянии Таким образом, назначаем ресурс проектируемой лопатки 167 часов.
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 на рисунке 5:
Рисунок 5 — Файл исходных данных для расчета термонапряженного состояния лопатки Для расчета термонапряженного состояния используем программу Grid3.exe.
Результаты расчета занесены в файл с именем Sirenko1.sig. Для визуального просмотра поля заносим в командную строку поочередно следующие файлы: Izol. exe Sirenko1.set Sirenko1.sg. Результаты расчета приведены на рисунке 6.
Рисунок 6 — Распределение возникающих напряжений в охлаждаемой лопатке
Вывод
В ходе выполнения курсовой работы была разработана схема охлаждения рабочей лопатки 1-й ступени турбины ротора высокого давления и проведен её расчет ее 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 длительности полёта 2 часа и работе двигателя на взлётном режиме 2 минуты назначен ресурс лопатки 167 часов. После проведения анализа установлено, что коэффициент запаса в критической точке 120 составляет 1,737.
1. А. В. Олейник, С. Ю. Шарков, «расчет теплового и термонапряженного состояния охлаждаемых лопаток турбин», Харьков «ХАИ», 1995 г.