Охлаждение рабочей лопатки первой ступени турбины турбовального двигателя (ТВаД) мощностью 8, 5 мВт

Министерство образования и науки Украины Национальный аэрокосмический университет им. Н. Е. Жуковского «ХАИ»

кафедра 203

Рабочая лопатка первой ступени турбины твад, мощностью 8,5 МВт

Харьков 2008 год

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 8,5 МВт (М=0, Н=0) для транспортного вертолета.

3. ЦЕЛЬ исследования: Оптимизация термонапряженного состояния лопатки

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

температура торможения в относительном движении 1330 К;

давление на входе в РК 0,99 МПа;

давление на выходе из РК 0,735 МПа;

относительная скорость на входе в РК 166,4 м/с;

относительная скорость на выходе из РК 527 м/с;

температура торможения за компрессором (в ступени отбора воздуха) 712 К;

полное давление за компрессором (в ступени отбора) 1,78 МПа;

расход газа через газогенератор 29,73 кг/с;

хорда профиля в среднем сечении 31,5 мм;

радиус входной кромки 1,8 мм;

высота лопатки 46,5 мм;

угол входа 48 град;

угол выхода 15,5 град ;

угол установки профиля 56 град;

частота вращения 15 400 об/мин;

средний диаметр 600 мм;

интенсивность газовых сил:

в окружном направлении 4934 Н/м;

в осевом направлении 6421 Н/м;

радиус подвода воздуха 257 мм;

число лопаток 70;

щаг решетки 27,3 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.

7. ПОРЯДОК СДАЧИ И ПРИЕМКИ РАБОТЫ: Сдача работы проводится в форме публичной защиты с оценкой по пятибалльной системе.

8. СРОКИ ВЫПОЛНЕНИЯ: Начало выполнения — ___ _______ 2008 г.

Задание выдал:

профессор каф. 203__ ________ 2008 г.

Задание получил:

ст. гр. 250 м

___ _________ 2008 г.

1. Подготовка и анализ исходных данных 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 ?=0,05.

Греющая температура:

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

Рисунок 1 — Поперечное сечение конвективно охлаждаемой лопатки.

Охлаждающую температуру находим по формуле:

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

— изменение температуры вследствие спутной закрутки,

=-750С Рисунок 2-Схема подвода охлаждающего воздуха

— подогрев воздуха центробежными силами.

/c — окружная скорость,

— радиус подвода охлаждающего воздуха,

— длина канала подвода воздуха.

— конвективный подогрев в магистралях подвода, Принимаем ТЛ=1150 К.

Определяем эффективность охлаждения

По графику 2 определяем способ охлаждения лопатки (конвективное) и расход охлаждающего воздуха (2,7%).

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» Boch. st, содержащий описание наружного и внутреннего контуров 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. Сначала задаются координаты опорных точек наружного контура при обходе его от произвольной точки против часовой точки. Затем задаются координаты одного из внутренних контуров (каналов охлаждения) по часовой стрелке. Абсциссе первой точки присваивается знак «-».

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

Изображение полученной сетки приведено на рисунке.

Рисунок 3 — Конечноэлементная сетка.

3. Расчет граничных условий теплообмена Расчет коэффициентов теплоотдачи на наружном контуре лопатки Результаты расчета сохранены в файле GRUREZ. TXT, распечатка которого приведена в таблице 2.

Таблица 2

РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕТОВ НАРУЖНОГО ТЕПЛООБМЕНА

Геометрические характеристики профиля:

диаметp входной кpомки мм 3.600 000

хоpда лопатки мм 31.500 000

угол потока на входе Град 48.0

угол потока на выходе Град 15.500 000

длина лопатки мм 46.500 000

сpедний диаметp мм 600.0

Параметры рабочего тела :

темпеpатуpа К T1= 1361.0 T2= 1361.0

давление МПа P1= 9.90 0000E-01 P2= 7.35 0000E-01

скopость м/с W1= 166.400 000 W2= 527.0

pасчетный pадиус мм 300.0

обоpоты туpбины об/мин 15 400.000000

————— PЕЗУЛЬТАТ PАСЧЕТА ———————;

¦ коэффициентов теплоотдачи по участкам ¦

¦ входная кpомка 5523.441 000 Bт/м**2*K ¦

¦ сpедняя часть пpофиля ¦

¦ коpыто 2686.488 000 Bт/м**2*K ¦

¦ спинка 2149.190 000 Bт/м**2*K ¦

¦ выходная кромка пpофиля ¦

¦ коpыто 3328.870 000 Bт/м**2*K ¦

¦ спинка 2849.44 000 Bт/м**2*K ¦

Рисунок 4 — Эпюра изменения коэфициента теплоотдачи по обводу профиля

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 v. 8.

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

Результаты расчета сохранены в файле GRYDEF. TXT, распечатка которого приведена в таблице 3.

Таблица 4

НОМЕР КАНАЛА = 1

РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕТОВ ВНУТРЕННЕГО ТЕПЛООБМЕНА

характерный размер канала мм 4.400 000

площадь сечения канала мм**2 22.700 000

радиус кривизны канала мм 99 999.000000

частота вращения об/мин 15 400

Параметры охладителя :

расход воздуха кг/с 1.30 0000E-02

емпература воздуха К 697.0

температура стенки К 1150.0

давление в канале Па 1 780 000.000000

РЕЗУЛЬТАТ РАСЧЕТА

Г коэффициент теплоотдачи 3094.238 000 Г НОМЕР КАНАЛА = 2

РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕТОВ ВНУТРЕННЕГО ТЕПЛООБМЕНА

характерный размер канала мм 5.100 000

площадь сечения канала мм**2 30.0

радиус кривизны канала мм 9999.0

частота вращения об/мин 15 400

Параметры охладителя :

расход воздуха кг/с 1.80 0000E-02

температура воздуха К 697.0

температура стенки К 1150.0

давление в канале Па 1 780 000.000000

РЕЗУЛЬТАТ РАСЧЕТА Г коэффициент теплоотдачи 3118.184 000 Г НОМЕР КАНАЛА = 3

РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕТОВ ВНУТРЕННЕГО ТЕПЛООБМЕНА

характерный размер канала мм 2.0

площадь сечения канала мм**2 13.0

радиус кривизны канала мм 9999.0

частота вращения об/мин 15 400

Параметры охладителя :

расход воздуха кг/с 8.00E-03

температура воздуха К 697.0

температура стенки К 1150.0

давление в канале Па 1 780 000.000000

РЕЗУЛЬТАТ РАСЧЕТА Г коэффициент теплоотдачи 3536.31 000 Г

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.

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

Находим :

м, где

— вязкость среды

166,4 м/с

— плотность газа.

Для данного расстояния определяем номер узла конечного элемента на спинке и корыте профиля. На спинке № узла 25, на корыте — 91.

Создаем файл исходных данных Boch. tm:

— 9 1 — тип задачи (стационарная, плоская)

1 9 — количество отрезков задания теплоотдачи

4 21 67 98 112 117 152 185 222

5523- коэффициент теплоотдачи на входной кромке

2149- коэффициент теплоотдачи на ламинарном участке спинки

2849- коэффициент теплоотдачи на турбулентном участке спинки

3328- коэффициент теплоотдачи на ламинарном участке корытца

2686- коэффициент теплоотдачи на турбулентном участке корытца

5523- коэффициент теплоотдачи на входной кромке

3094- коэффициент теплоотдачи в 1-м канале

3118- коэффициент теплоотдачи в 2-м канале

3536- коэффициент теплоотдачи в 3-м канале.

1 2 — количество отрезков задания температуры среды

117 222- границы отрезков задания температуры среды

1088- «греющая» температура, 0С

424- «охлаждающая» температура, 0С Материал лопатки: сплав ЖС6-К.

После ввода исходных данных рассчитываем температурные поля с помощью программы Grid2.exe. Результаты расчета Boch.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 Boch.set Boch.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 20 000 часов. Тогда при средней длительности полета 2 часа это составит 10 000 полетов. При этом на один такой полет приходится 3 минуты работы двигателя на взлетном режиме. Тогда всего за весь жизненный цикл двигателя лопатка находится в таком состоянии 10 000· 3=30 000 мин или 500 часов. Таким образом, назначаем ресурс проектируемой лопатки 500 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

boch.set Сетка МКЭ

— 1

gs6.dat Материал

1 1 1

2910 25.4 33.2 Нагрузки: 2*N кГ, 2*Mx кГ*см, 2*My кГ*см

500 Продолжительность работы, час

500 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 (Boch.tem). Результат будет занесен в файл с именем Boch.sig.

Точка № 62 имеет минимальный запас 0,69.

теплообмен теплоотдача температурный поле

6. Оптимизация термонапряженного состояния В связи с тем, что спроектированная лопатка не удовлетворяет нормам прочности, проведем следующие мероприятия:

— укорочение выходной кромки;

— применение материала с более высокими прочностными характеристиками.

Хорда лопатки составляет 28 мм. Далее производим аналогичные приведенным выше расчеты, с учетом изменения хорды лопатки и изменения материала.

Рисунок 6 — Конечноэлементная сетка.

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 B. tm:

— 9 1 — тип задачи (стационарная, плоская)

1 9 — количество отрезков задания теплоотдачи

4 21 63 89 103 108 143 176 213

5523- коэффициент теплоотдачи на входной кромке

2149- коэффициент теплоотдачи на ламинарном участке спинки

2849- коэффициент теплоотдачи на турбулентном участке спинки

3328- коэффициент теплоотдачи на ламинарном участке корытца

2686- коэффициент теплоотдачи на турбулентном участке корытца

5523- коэффициент теплоотдачи на входной кромке

3094- коэффициент теплоотдачи в 1-м канале

3118- коэффициент теплоотдачи в 2-м канале

3536- коэффициент теплоотдачи в 3-м канале.

1 2 — количество отрезков задания температуры среды

108 213- границы отрезков задания температуры среды

1088- «греющая» температура, 0С

424- «охлаждающая» температура, 0С После ввода исходных данных рассчитываем температурные поля с помощью программы Grid2.exe. Результаты расчета B.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 B.set B.tem. Результаты расчета приведены на рисунке 7.

Рисунок 7 — Распределение изотермических полей температур в охлаждаемой лопатке.

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

b.set Сетка МКЭ

— 1

Gs32.dat Материал

1 1 1

2910 25.4 33.2 Нагрузки: 2*N кГ, 2*Mx кГ*см, 2*My кГ*см

500 Продолжительность работы, час

500 Продолжительность работы, час Рисунок 8 — Распределение возникающих напряжений в охлаждаемой лопатке.

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

Точка № 110 имеет минимальный запас 1,78.

Вывод

1. Была разработана конструкция охлаждаемой лопатки первой ступени турбины высокого давления ТВаД. По ходу проекта был выбран тип охлаждения — конвективный.

2. Критическая точка № 110 находится на стенке канала охлаждения № 1:

что соответствует ресурсу лопатки 500 часов.

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

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