Исследование термонапряженного состояния охлаждаемой лопатки ТВВД

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Расчет основных параметров системы охлаждения

Расчёту подвергается 1-я ступень ТВД ТВВД Д-18т на взлётном (максимальном с точки зрения нагружения) режиме.

Все необходимые для дальнейших расчётов данные принять на основании ранее проведенных термогазодинамического расчета двигателя, его турбины, профилирования РК турбины и согласования параметров компрессора и турбины.

Основные расчётные зависимости можно увидеть в [1].

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

В качестве греющей температуры выбираем температуру торможения потока в относительном движении с учетом радиальной неравномерности потока. Определим ее по формуле:

где - температура торможения потока в относительном движении;

- температура торможения потока за компрессором;

- коэффициент неравномерности потока (для среднего сечения =0,05).

Расчет охлаждающей температуры:

;

где - поправки на спутную закрутку.

- увеличение температуры за счет конвективного теплообмена.

;

где - длина канала охлаждения;

- радиус подвода охлаждающего воздуха.

Принимаем =70К.

- подогрев охлаждающего воздуха за счет работы центробежных сил. Примем ;

Следовательно:

.

Поскольку , то система охлаждения конвективно-заградительная.

Сечение лопатки представлено на рисунке 2.2.

Исходя из ресурса двигателя, выбираем температуру лопатки:

Рассчитываем нужную глубину охлаждения:

.

Следовательно, расход охлаждающего воздуха .

По построенному контуру среднего сечения лопатки с помощью пакета SAPR кафедры 203 строим сетку конечных элементов, которая представлена на рисунке 3.

Создаем файл «Описание контура» 1338.st, содержащий описание наружного и внутреннего контуров расчетной области координатами опорных точек. 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. Для замыкания предыдущего контура используют знак «-» перед координатой «Х» следующего контура.

Для запуска программы в командной строке набираем команду: delo53.bat; просмотр сетки; 1338.set.

2. Расчет граничных условий теплообмена на поверхности лопатки

Расчет коэффициентов теплоотдачи осуществляется в программах GRU.exe (расчёт коэффициентов теплоотдачи на наружном контуре), GRUdef.exe (для расчёта коэффициентов теплоотдачи в каналах).

Расчёт коэффициентов теплоотдачи на наружной поверхности лопатки

Геометрические характеристики профиля:

диаметp входной кpомки мм 4.470000

хоpда лопатки мм 44.700000

угол потока на входе Град 50.000000

угол потока на выходе Град 20.510000

длина лопатки мм 73.000000

сpедний диаметp мм 957.000000

Параметры рабочего тела:

темпеpатуpа К T1= 1482.000000 T2= 1482.000000

давление МПа P1= 1.310000 P2= 9.700000E-01

скopость м/с W1= 287.000000 W2= 537.200000

pасчетный pадиус мм 478.500000

обоpоты туpбины об/мин 8840.000000

Определение точек перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный

Таких точек на лопатке две: одна на спинке профиля, а другая на корытце. Считается, что расстояние от вершины носка профиля до этих точек соответственно равны.

Величина определяется по зависимости [1]:



где для ;

;

.

При расчёте принимаем параметры газа на входе в РК ступени турбины, т.к. заведомо известно, что точка перехода погранслоя из ламинарного в турбулентный находится на малом расстоянии от вершины носка профиля ().

Таким образом,

.

Расчёт коэффициентов теплоотдачи в каналах охлаждения

Расчёт коэффициентов теплоотдачи в каналах осуществляется в программе Grydef.exe.

Система охлаждения лопатки достаточно сложная. В полости пера лопатки выполнено 5 каналов, четыре из которых непосредственно связаны с питающими каналами в замке, а один (цилиндрический, расположенный в носке лопатки) связан с близлежащим каналом посредством ряда отверстий. С помощью этого канала (канала №5) и ряда отверстий осуществляется струйное охлаждение носка лопатки, которое далее рассчитывается вручную.

Исходными данными для расчёта коэффициентов теплоотдачи в каналах являются следующие величины:

- гидравлический диаметр канала (мм).

- площадь канала (мм²).

- радиус кривизны канала (все каналы прямолинейные). - частота вращения ротора ТВД.

- расход воздуха через канал (кг/с).

- температура охлаждающего воздуха.

- температура стенки канала лопатки.

- давление в канале.

Кроме того, для увеличения площади охлаждения в каналах выполнены оребрения.

Периметры и площади каналов охлаждения определяются среднего сечения лопатки и заносятся в таблицу.

Гидравлический диаметр канала определяется по следующей зависимости:

.

Расход воздуха через канал определяется из соотношения:

.

;

Увеличим расход воздуха через первый канал для повышения эффективности струйного охлаждения носка лопатки на 50%.

При этом через среднее сечение канала пройдет половина расхода (оставшаяся часть поедет на струйное охлаждение носка):

;

Результаты заносим в таблицу.



№ канала	FK, мм2	ПК, мм	dГ, мм	GBK, кг/с
1	38,891	27,489	5,659	0,00840
2	43,178	25,965	6,651	0,00932
3	31,348	22,209	5,645	0,00677
4	24,841	31,485	3,155	0,00536
5	6,386	17,584	1,452684	0,0013797

Результат расчёта коэффициентов теплоотдачи в каналах автоматически заносится в файл Grydef.txt.

Расчёт коэффициента теплоотдачи при струйном охлаждении носка лопатки.

Геометрические параметры системы струйного охлаждения носка лопатки примем по прототипу.

- диаметр отверстия-сопла;

- количество отверстий-сопел;

- расстояние от сопла до стенки.

Поскольку носовой канал напрямую связан с предыдущим каналом, то расход через него равняется половине расхода через предыдущий канал (остальная половина выйдет через перфорационные отверстия):

.

Принимаем, что температура охлаждающего воздуха равняется температуре воздуха за компрессором. Соответственно, охлаждающий воздух имеет следующие параметры:

;

.

Воздух отводится из зоны струйного охлаждения через 4 ряда перфораций.

Расчётные зависимости имеют следующий вид:

;

;

где ;

где - суммарный периметр сопел (струй);

- отношение суммарного поперечного сечения струй и каналов, отводящих воздух из зоны струйного охлаждения;

- суммарное поперечное сечение струй;

- гидравлический диаметр струйного сопла;

Тогда имеем:

;

Расчёт коэффициентов теплоотдачи в перфорационных каналах

При расчёте коэффициента теплоотдачи в перфорации, её заменяют эквивалентным каналом с конвективным охлаждением.

При этом, размеры эквивалентного канала определяют из соотношения:

;

;

где L_СТ - толщина стенки лопатки (мм);

L_П - длина проекции канала на линию контура (мм);

d_П - диаметр отверстий перфорации (мм);

i - количество заменяющих каналов (i=1);

t - шаг перфорации (мм).

В лопатке выполнено 4 ряда перфорационных отверстий на носке профиля.

Вся геометрия выполнена по прототипу и сведена в табл. 3.4.

Коэффициенты теплоотдачи в эквивалентных каналах определяются по формуле:

где - длина одного отверстия (мм);

- теплоотдача в перфорационных каналах (равна среднему значению теплоотдачи по профилю) и определяется по формуле:

.

Результаты расчёта и характеристики перфорационных каналов сведены в табл.

№ перфорации	dП, мм	Nотверст	t, мм	Д, мм	LСТ, мм	LП, мм	а, мм	b, мм	бэкв,
									Вт/м2К
1	0,6	25	3	1,89	1,24	1,86	0,248	0,372	2474,76046
2	0,6	25	3	1,9	2,01	0,05	0,402	0,01	3743,85861
3	0,6	25	3	1,14	1,11	0,85	0,222	0,17	2360,92308
4	0,6	25	3	1,14	1,14	0,32	0,228	0,064	3169,45839
5	0,6	25	3	3	1,25	1,26	0,25	0,252	4851,5509
6	0,6	25	3	3,5	1,25	2,3	0,25	0,46	4001,96006

Наличие этих каналов учтено в файле создания сетки 1338.st (см. п. 2).

Расчет поля температуры

Расчет температурного поля проводим путем решения уравнения стационарной теплопроводности:

где Т - температура в точке поперечного сечения с координатами (х, у);

- коэффициент теплопроводности материала лопатки.

В качестве граничных условий при конвективном теплообмене используем граничные условия 3-го рода, а именно: температуру среды и коэффициент теплоотдачи .

Расчёт греющей температуры воздушной завесы

Входная кромка профиля имеет наибольшее по профилю значение температуры, поэтому ее необходимо дополнительно охлаждать. В качестве системы охлаждения выбрана перфорационная завеса на входной кромке. Два ряда отверстий на спинке и два ряда отверстий на корытце на расстоянии 1 мм и 2 мм от входной кромки. Охлаждающий воздух из канала №1 через ряд отверстий (эти отверстия в расчет не принимаем) попадает в канал №5 и через перфорационные каналы выходит в проточную часть.

Расчёт произведен с помощью программы OHLAGD.exe. Результатом данной программы является массив греющих температур вблизи каждого приповерхностного узла. Массив греющих температур для спинки записывается в файл CPIN_NEW.tm, для корытца - KORITO_N.tm.

Диаметр перфорационных отверстий находим из равенства площади проходного сечения канала №1 и суммарной площади перфорационных отверстий:

,

где -диаметр перфорационного отверстия;

- количество рядов перфорации;

- длина лопатки;

- шаг отверстий;

отношение диаметра отверстий к шагу, принятое из условий прочности;

- площадь канала №1

Следовательно:

.

Находим скорость выдува воздуха из перфорационных отверстий:

охлаждение термогазодинамический двигатель лопатка

;

- плотность воздуха;

- суммарная площадь каналов;

- половинный расход воздуха через канал №1

.

Распределение температуры по профилю лопатки при учёте завес, представлено на рисунках 4.1 (распределение по спинке) и 4.2 (распределение по корытцу профиля).

Расчет плоского стационарного температурного поля

Используя результаты предыдущих расчётов, можно построить температурное поле лопатки в неохлаждаемом и охлаждаемом вариантах.

Расчёт производит программа Grid2.exe. Результат - температурное поле в файле 1338all.tem.

Исходные данные заносятся в файл 1338all.tm. При этом учитываются коэффициенты теплоотдачи в каналах. А коэффициенты теплоотдачи на наружной поверхности профиля посчитаны ранее. Кроме того, температуры завес также включаются в 1338all.tm.

Перечень ссылок

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

Размещено на Allbest.ru