Рабочая лопатка первой ступени турбины ТВаД

Министерство образования и науки Украины

Национальный аэрокосмический университет

им. Н.Е. Жуковского "ХАИ"

кафедра 203

Рабочая лопатка первой ступени турбины ТВаД

Харьков

Техническое задание на исследование термонапряженного состояния охлаждаемой лопатки ТВаД

. Объект исслндования: Рабочая лопатка 1-й ступени турбины газогенератора.

. Условия применения: ТВаД с мощностью на взлетном режиме 8800 КВт (М=0, Н=0) для пассажирского самолёта

. Цель исследования: Оптимизация термонапряженного состояния лопатки

. Основные исходные данные: результаты проектирования по теории лопастных машин и конструкции двигателей:

температура торможения в относительном движении 1350 К;

давление на входе в РК 1,06 МПа;

давление на выходе из РК 0,732 МПа;

относительная скорость на входе в РК 197,3 м/с;

относительная скорость на выходе из РК 529,5 м/с;

температура торможения за компрессором (в ступени отбора воздуха) 707 К;

полное давление за компрессором (в ступени отбора)             1,71 МПа;

расход газа через газогенератор 23,42 кг/с;

отбор воздуха на охлаждение лопатки 2,5%

хорда профиля в среднем сечении 27,3 мм;

радиус входной кромки 1,365 мм;

высота лопатки 38 мм;

угол входа 54,19 град;

угол выхода 19,15 град ;

угол установки профиля 53,8 град;

частота вращения 16100 об/мин;

средний диаметр 519 мм;

интенсивность газовых сил:

в окружном направлении 15700 Н/м;

в осевом направлении 9140 Н/м;

радиус подвода воздуха 202 мм;

число лопаток 72;

щаг решетки 22,65 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.

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

. Очетная 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.

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

. Сроки выполнения: Начало выполнения - 2009 г.

Защита - до 2009 г.

Задание выдал:    Задание получил:

доцент каф. 203 студент гр. 250М

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 η=0,05.

Греющая температура:

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

Рисунок 1 - Поперечное сечение охлаждаемой лопатки.

Охлаждающую температуру находим по формуле:

,

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

 - изменение температуры вследствие спутной закрутки,

=-70⁰С

Рисунок 2-Схема подвода охлаждающего воздуха

 - подогрев воздуха центробежными силами.

/c - окружная скорость,

 - радиус подвода охлаждающего воздуха,

 - средний радиус,

 - конвективный подогрев в магистралях подвода,

Принимаем Т_Л=1140 К.

Определяем эффективность охлаждения

Т.к. температура газа меньше 1450К, выбираем тип охлаждения - конвективный.

По графику 2 [1] определяем расход охлаждающего воздуха - 3.5%.

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” kор.st, содержащий описание наружного и внутреннего контуров расчетной области координатами опорных точек. При создании описания придерживаемся следующих правил:

. Сечение лопатки должно располагаться в первом квадранте координатной системы так, чтобы для координат любой точки выполнялось условие Х>0, Y>0.

. Количество опорных точек должно быть минимальным (достаточным для описания контура прямолинейными отрезками).

. 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 kор.st. В результате работы программы создается файл хор.set, содержащий информацию о созданной сетке в форме, пригодной для межпрограммного обмена.

Изображение полученной сетки приведено на рисунке.

лопасть двигатель теплообмен

Рисунок 3 - Конечноэлементная сетка.

3. Расчет граничных условий теплообмена

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

Находим :

 м,

где

 - вязкость среды

284,5 м/с

 - плотность газа.

Для данного расстояния определяем номер узла конечного элемента на спинке и корыте профиля. На спинке № узла 21, на корыте - 79.

Расчет коэффициентов теплоотдачи на наружном контуре лопатки

Результаты расчета сохранены в файле GRUREZ.TXT, распечатка которого приведена в таблице 2.

Таблица 2

Расчет коэффициентов наружного теплообмена

Геометрические характеристики профиля:

диаметp входной кpомки мм 2.960000

хоpда лопатки мм 27.400000

угол потока на входе Град 40.830000

угол потока на выходе Град 22.890000

длина лопатки мм 38.000000

сpедний диаметp мм 477.000000

Параметры рабочего тела :

темпеpатуpа К T1= 1319.000000 T2= 1319.000000

давление МПа P1= 1.000000 P2= 6.570000E-01

обоpоты туpбины об/мин 14800.000000

ЕЗУЛЬТАТ PАСЧЕТА

│ коэффициентов теплоотдачи по участкам    │

│ входная кpомка 7682.599000 Bт/м**2*K       │

│ сpедняя часть пpофиля                                 │

│ коpыто 3369.229000 Bт/м**2*K                     │

│ спинка 2695.383000 Bт/м**2*K                      │

│ выходная кромка пpофиля                                     │

│ коpыто 3361.048000 Bт/м**2*K                     │

│ спинка 2882.349000 Bт/м**2*K                      │

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. 12.

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 коэффициентов внутреннего теплообмена

характерный размер канала мм 4.033000

площадь сечения канала мм**2 18.151000

радиус кривизны канала мм 9999.000000

частота вращения об/мин 14800

Параметры охладителя :

расход воздуха кг/с 1.899000E-03

температура воздуха К 722.900000

температура стенки К 1140.000000

давление в канале Па 1680000.000000

Г коэффициент теплоотдачи 2844.635000 Г

Номер канала = 2

Расчет коэффициентов внутреннего теплообмена

характерный размер канала мм 4.160000

площадь сечения канала мм**2 18.720000

радиус кривизны канала мм 9999.000000

частота вращения об/мин 14800

Параметры охладителя :

расход воздуха кг/с 1.960000E-03

температура воздуха К 722.900000

температура стенки К 1140.000000

давление в канале Па 1680000.000000

Номер канала = 3

Расчет коэффициентов внутреннего теплообмена

характерный размер канала мм 4.244000

площадь сечения канала мм**2 19.100000

частота вращения об/мин 14800

Параметры охладителя :

расход воздуха кг/с 1.990000E-03

температура воздуха К 722.900000

температура стенки К 1140.000000

давление в канале Па 1680000.000000

Г коэффициент теплоотдачи 2847.543000 Г

. 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 kор.tm:

1 - тип задачи (стационарная, плоская)

9 - количество отрезков задания теплоотдачи

21 55 79 100 103 145 181 203

- коэффициент теплоотдачи на входной кромке

- коэффициент теплоотдачи на ламинарном участке спинки

- коэффициент теплоотдачи на турбулентном участке спинки

- коэффициент теплоотдачи на ламинарном участке корытца

- коэффициент теплоотдачи на турбулентном участке корытца

- коэффициент теплоотдачи на входной кромке

- коэффициент теплоотдачи в 1-м канале

- коэффициент теплоотдачи в 2-м канале

- коэффициент теплоотдачи в 3-м канале.

2 - количество отрезков задания температуры среды

203- границы отрезков задания температуры среды

- «греющая» температура , ⁰С

- «охлаждающая» температура, ⁰С

Материал лопатки: сплав ЖС6-К.

После ввода исходных данных рассчитываем температурные поля с помощью программы Grid2.exe. Результаты расчета хор.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 kор.set kор.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 20000 часов. Тогда при средней длительности полета 4 часа это составит 5000 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 5000·3=15000 мин или 250 часов. Таким образом, назначаем ресурс проектируемой лопатки 250 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

kor.set Сетка МКЭ

.dat Материал

1 1

,5 27.94 63.7 Нагрузки: 2*N кГ, 2*Mx кГ*см, 2*My кГ*см

Продолжительность работы, час

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

Точка №192 имеет минимальный запас 1,069.

6. Оптимизация термонапряженного состояния

В связи с тем, что спроектированная лопатка не удовлетворяет нормам прочности, проведем следующие мероприятия:

создание дополнительной завесы;

применение материала с более высокими прочностными характеристиками.

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 kop1.tm:

1 - тип задачи (стационарная, плоская)

9 - количество отрезков задания теплоотдачи

- коэффициент теплоотдачи на входной кромке

- коэффициент теплоотдачи на ламинарном участке спинки

- коэффициент теплоотдачи на турбулентном участке спинки

- коэффициент теплоотдачи на ламинарном участке корытца

- коэффициент теплоотдачи на турбулентном участке корытца

- коэффициент теплоотдачи на входной кромке

- коэффициент теплоотдачи в 1-м канале

- коэффициент теплоотдачи в 2-м канале

- коэффициент теплоотдачи в 3-м канале.

2 - количество отрезков задания температуры среды

63 103 203- границы отрезков задания температуры среды

- «греющая» температура , ⁰С

- «охлаждающая» температура , ⁰С

Материал лопатки: сплав ЖС32

После ввода исходных данных рассчитываем температурные поля с помощью программы Grid2.exe. Результаты расчета kop1.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 kop.set kop1.tem. Результаты расчета приведены на рисунке 6.

Рисунок 6 - 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

kop.set Сетка МКЭ

.dat Материал

1 1

.4 27.94 63.7 Нагрузки: 2*N кГ, 2*Mx кГ*см, 2*My кГ*см

Продолжительность работы, час

Продолжительность работы, час

После запроса указываем имя файла, содержащего данные о температурном поле лопатки (kop1.tem). Результат будет занесен в файл с именем kop1.sig.

Точка №193 имеет минимальный запас 1,84.

нaлиз тepмoнaпpяжeннoгo сocтoяния охлаждаемой турбинной лопатки. Фaйл данных : KOP1.SIG Файл материала : GS32.DAT Время : 250

Sig MAX,МПа Sig MIN,МПа T MAX,°C T MIN,°C Min Запас

.980 -130.130 1311.600 798.800 1.843

Точка 176 36 56 176 1931.728 2.647 2.951 1.728 2.6681.098 1.449 2.838 1.098 2.005

Вывод

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

2.       Критическая точка №36 находится на стенке канала охлаждения №1:

,

что соответствует ресурсу лопатки 250 часов.

Список литературы

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

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