Исследование термонапряженного состояния охлаждаемой лопатки ТРДД

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ на исследование термонапряженного состояния охлаждаемой лопатки ТРДД

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

УСЛОВИЯ ПРИМЕНЕНИЯ: Трехвальный ТРДД

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ: Анализ термонапряженного состояния лопатки

ОСНОВНЫЕ ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ: результаты проектирования по теории лопаточных машин и конструкции двигателей: данные для вычерчивания наружного контура корневого, среднего и периферийного сечений - см. табл. 2

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

ИССЛЕДОВАНИЕ должно вестись по плану, представленному в табл.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 табл.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,.st,.tm, Analiz.rap 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.

ПЛАНИРУЕМЫЕ РАБОТЫ:

1. Подготовка и анализ исходных данных

Расчет греющей и охлаждающей температур, отбора воздуха на охлаждение

Выбор пути совершенствования конструкции

Создание конечно-элементной расчетной сетки

Расчет граничных условий теплообмена. Расчет пропускной способности каналов

Расчет коэффициентов теплоотдачи в каналах охлаждения

Расчет коэффициентов теплоотдачи в перфорационных каналах

Расчет греющей температуры воздушной завесы

Расчет температурного поля (охлаждаемый вариант)

Расчет термонапряженного состояния (охлаждаемый вариант)

Анализ термонапряженного состояния

Расчет температурного поля и термонапряженного состояния оптимального варианта лопатки.

Оценка ресурса по малоцикловой устатости и длительной прочности.

Оформление пояснительной записки

Сдача работы

ПОРЯДОК СДАЧИ И ПРИЕМКИ РАБОТЫ:

Сдача работы проводится в форме публичной зашиты с оценкой по пятибалльной системе. Пояснительная записка должна быть сдана на проверку не позднее, чем за два дня до установленного срока сдачи.

СРОКИ ВЫПОЛНЕНИЯ:



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.

Геометрия охлаждаемой лопатки приведена в таблице 2.

Таблица 2

Чо	Параметр	Размерность	Значение параметров в сечении
			втулочном	среднем	периферийном
1	г	мм	291,13	312.75	334,38
2	t	мм	22.43	24.10	25,77
3	b	мм	30,70
4	Ру	град.	66.53	59.53	51,22
5	Рл\	град.	45.00	53.00	59,00
6	Р л2	град.	20,10
7		град.	19,00
8	а	мм	7,71	8.28	8,86
9		--	0.26	0.24	0,22
10		мм	7.98	7.37	6 75
11		--	0,278	0,282	0,284
12	Xv	мм	8.55	8.66	8,71
13	R,	мм	2,16	1.99	1,82
14	R2	мм	1.24
15	со,	град.	30,68	27,23	24,26
16	U>,	град.	12,00
17	Р'у	град.	64,83	58.14	50,14

В качестве параметра, характеризующего эффективность различных схем охлаждения, используют величину, названную Э.Р. Эккертом эффективностью

охлаждения:

.

Важнейшими параметрами для проектирования охлаждаемой лопатки являются "греющая" температура Т_Гр и "охлаждающая" температура воздуха на входе в лопатку Тохл

Рисунок 1 -Схема подвода охлаждающего воздуха

Рабочие лопатки работают в газовом потоке с некоторой окружной 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 лопатку температура (температура восстановления в относительном движении)

=1330₊0_.05-(1330-730)=1360К_;

Таким образом, исходя из рекомендаций [1] для обеспечения эффективной работы турбины при Т_феюш=1360К достаточно применения конвективной схемы охлаждения, которое изображено на рисунке 2.

Рисунок 2 - Поперечное сечение охлаждаемой лопатки

Температура охлаждающего воздуха зависит от способа его подвода. В данном случае (см. рисунок 1) подвод воздуха осуществляется из второго контура камеры сгорания через систему отверстий с предварительной закрутки. При столкновении воздуха с поверхностью диска образуется пограничный слой в окружном направлении. При торможении потока (принято, что на поверхности предел скорости стремится к нулю) происходит выделение тепла, воздух нагревается на величину.

Охлаждающую температуру находим по формуле:

,

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

- изменение температуры вследствие спутной закрутки,

=-80⁰С

- подогрев воздуха центробежными силами.

/c - окружная скорость,

- радиус подвода охлаждающего воздуха,

- длина канала подвода воздуха.

- конвективный подогрев в магистралях подвода,

Принимаем Т_Л=1150 К, исходя из способа охлаждения, ресурса лопатки и Т_гр.

Определяем эффективность охлаждения

По графику 2 [1] определяем расход охлаждающего воздуха 1,5% от G,.

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. Для Re_кр =10⁵:

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

,

Где

- вязкость среды

237,3 м/с

- плотность газа.

P_r= 1,07 мПа - давление на входе в РК.

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



Рисунок 3 - Эпюра изменения коэффициента теплоотдачи по обводу профиля

Расчет коэффициентов наружного теплообмена

Геометрические характеристики профиля: = 0,0088м=8,8мм

диаметр входной кромки мм - 3.980000

хорда лопатки мм - 30.700000

угол потока на входе Град - 48.420000

угол потока на выходе Град - 21.110000

длина лопатки мм - 43.000000

средний диаметр мм - 625.000000

Параметры рабочего тела:

температура К - Т1 = 1360.000000; Т2 = 1360.000000

давление МПа - Р1 = 1.070000; Р2 = 7.880000Е-01

скорость м/с - Wl = 237.300000; W2 = 509.200000

расчетный радиус мм312.500000

обороты турбины об/мин 13947.000000

Результат расчета коэффициентов теплоотдачи по участкам:

входная кромка - 6558.318000 Вт/м-2-К

средняя часть профиля:

корыто - 3256.100000 Вт/м-2-К.

спинка - 2604.800000 Вт/м-2-К

выходная кромка профиля:

корыто - 3406.600000 Вт/м-2-К

спинка - 2914.800000 Вт/м-2-К

1.3 Расчет коэффициентов теплоотдачи в каналах охлаждения лопатки

Расчет коэффициентов теплоотдачи выполняем на ЭВМ с помощью программы "Теплоотдача в каналах", 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 V10 (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.

Таблица 4

№ канала	Р, мм	F, ммл2	с1гидр, мм	Gb, кг/с
1	19,34	15,61	3,22854188	0,002587
2	17,54	19,55	4,45838084	0,00324
3	25,14	15,19	2,41686555	0,002517



НОМЕР КАНАЛА = 1
РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕТОВ ВНУТРИ ТО ТЕПЛООБМЕНА
характерный размер канала мм	3.22854188
площадь сечения канала мм-2	15.61
радиус кривизны канала мм	9999.000000
час гота вращения об/мин	13947
11араметры охладителя :
расход воздуха кг/с	0.002587
температура воздуха К	709.000000
температура стенки К	1150.000000
давление в канале Па	1820000.000000
РЕЗУЛЬТАТ РАСЧЕТА
коэффициент теплоотдачи 3119.409000

Таблица 5

НОМЕР КАНАЛА = 2
РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕТОВ ВНУТРЕННЕГО ТЕПЛООБМЕНА
характерный размер канала мм	4,45838084
площадь сечения канала мм-2	19,55
радиус кривизны канала мм	9999.000000
частота вращения об/мин	13947
Параметры охладителя :
расход воздуха кг/с	0.00324
температура воздуха К	709.000000
температура стенки К	1150.000000
давление в канале Па	1820000.000000
РЕЗУЛЬТАТ РАСЧЕТА
коэффициент теплоотдачи 3097.328000
НОМЕР КАНАЛА = 3
РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕТОВ ВНУТРЕННЕГО ТЕПЛООБМЕНА
характерный размер канала мм	2.41686555
площадь сечения канала мм-2	15,19
радиус кривизны канала мм	9999.000000
частота вращения об/мин	13947
11араметры охладителя :
расход воздуха кг/с	0.002517
температура воздуха К	709.000000
температура стенки К	1150.000000
давление в канале Па	1820000.000000
РЕЗУЛЬТАТ РАСЧЕТА
коэффициент теплоотдачи 31"	5.321000

1.4 Создание расчетной сетки

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" gal.st, содержащий описание наружного и внутреннего контуров расчетной области координатами опорных точек.

Изображение полученной сетки приведено на рисунке 4.

Рисунок 4 - Конечноэлементная сетка разбиения лопатки

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 gal.tm. Исходные данные включают в себя следующие величины:

9 1 - тип задачи (стационарная, плоская)

1 9 - количество отрезков задания теплоотдачи

12 21 72 114 121 122 163 201 245

6558- коэффициент теплоотдачи на входной кромке

2604- коэффициент теплоотдачи на ламинарном участке спинки

2915- коэффициент теплоотдачи на турбулентном участке спинки

3407- коэффициент теплоотдачи на ламинарном участке корытца

3256- коэффициент теплоотдачи на турбулентном участке корытца

6558- коэффициент теплоотдачи на входной кромке

3119- коэффициент теплоотдачи в 1 -м канале

3097 - коэффициент теплоотдачи в 2-м канале

3135- коэффициент теплоотдачи в 3-м канале

1 2 - количество отрезков задания температуры среды 122 245 - границы отрезков задания температуры среды 1087- «греющая» температура, °С

436 - «охлаждающая» температура, С

800 700 1000 - ожидаемая температура лопатки, 1-я и 2-я температуры задания теплофизических свойств материала

20 - коэффициент теплопроводности при 1-й температуре (700°С)

28 - коэффициент теплопроводности при 2-й температуре (ЮОО'С)

4100 - ср при 1-й температуре (700°С)

6400 - с-р при 2-й температуре (1000°С)

Последние 5 строк содержат физические свойства, соответствующие жаропрочному материалу ЖС32. Их оставляем неизменными.

После сохранения файла запускаем программу "Расчет температурного поля" Grid2.exe. Это основная программа подмодуля, которая осуществляет решение уравнения теплопроводности (стационарного и нестационарного) методом конечных элементов на плоской триангуляционной сетке при задании на контуре граничных условий третьего рода - коэффициентов теплоотдачи и температуры среды. Результаты расчета и визуализации температурных полей изображены на рисунке 5.

Рисунок 5 - Распределения изотермических полей температуры лопатки, С⁰

охлаждение термонапряженный лопатка турбина



2. РАСЧЕТ ТЕРМОНАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ОХЛАЖДАЕМОЙ 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_х и М_у.

где - плотность материала, ⁼8250. Площадь сечения лопатки с учетом вычета площади каналов охлаждения определяем в пакете КОМПАС V10.

Изгибающие моменты от действия газовых сил определим следующим образом:

кгс•см;

Расчет данных формул был произведен с помощью пакета Excel и сведены в таблицу 6

Таблица 6

Fu6	17077,0653	1740,781 кГс
Мх	2,10468121	21,45445 кГсм
My	5,4861625	55,92418 кГсм



2.2 Определение ресурса лопатки

Ресурс газотурбинного двигателя составляет 20000 часов. Тогда при средней длительности полета 2 часа это составит 10000 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 10000-2=20000 мин или 300 часов. Таким образом, назначаем ресурс проектируемой лопатки 300 часов.

2.3 Расчет термонапряженного состояния лопатки

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:

gal.set - файл сетки конечных элементов

-1

15

gs32.dat - файл прочностных свойств материала лопатки (ЖС32)

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

3481,56 42,91 111,8- нагрузки: удвоенная центробежная сила (кгс), удвоенный момент М_х (кгс-см) и удвоенный момент М_у (кгс-см).

300 - продолжительность работы, час

300 - продолжительность работы, час

Для расчета термонапряженного состояния запускаем программу Grid3.exe. Это основная программа подмодуля, которая осуществляет расчет поля напряжений.

Результаты расчета и визуализация распределения напряжения приведены на рисунке 6

Рисунок 6 - Распределения возникающих напряжений в охлаждаемой лопатки, кГ/м^г



ВЫВОД

В ходе выполнения курсовой работы была разработана схема охлаждения рабочей лопатки 1-й ступени турбины ротора высокого давления и проведен её анализ термонапряжённого состояния. После подготовки и анализа исходных данных, мы определили греющую и охлаждающую температуры (Т_ф|⁼1360⁰К, Т_ОХЛ=730°С).

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 полета 2 часа и работе двигателя на взлётном режиме 2 минуты назначен ресурс лопатки 300 часов. После проведения анализа установлено, что наименьший коэффициент запаса находиться в критической точке номер 203 (см. рис.) и составляет 2.04 (t = 779,7С, G = 336,7МПа), при расходе воздуха 1,5% Gг и соответственно Gохл = 0,00834 кг/с

Размещено на Allbest.ru