Материал: Исследование термонапряженного состояния и оценка ресурса охлаждаемой лопатки турбины авиационного ГТД

Исследование термонапряженного состояния и оценка ресурса охлаждаемой лопатки турбины авиационного ГТД

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

Курсовая работа по дисциплине: «Теплонапряженное состояние и идентификация тепловых расчетов элементов Аид и ЭУ»

на тему:

«Исследование термонапряженного состояния и оценка ресурса охлаждаемой лопатки турбины авиационного ГТД»

Выполнил: студент гр. 258е Куценко Д.С.

Проверил: проф. Симбирский Д.Ф.

ст.преп. Марценюк Е.В.

Харьков 2015г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Техническое задание

1. Расчет граничных условий теплообмена на наружной поверхности и в каналах охлаждаемой лопатки

. Создание конечно-элементной сетки

. Расчет температурного поля лопатки на базовом режиме

. Расчёт поля напряжение лопатки на базовом режиме

. Выбор критической точки лопатки и предварительная оценка ресурса лопатки по критерию ДП

. Расчёт температур и напряжений в критической точке лопатки на всех режимах ОПЦ

. Оценка ресурсов рабочей лoпатки турбины авиационного ГТД

. Расчет повреждаемости лопатки за ОПЦ по длительной прочности

. Расчёт повреждаемости лопатки (П_N) за ОПЦ по малоцикловой усталости (МЦУ)

10. Оценки ресурсов рабочей лопатки по ДП, МЦУ и суммарная

Вывод

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

Лопатка турбины является одной из наиболее ответственных деталей авиационного газотурбинного двигателя, в значительной степени определяющей его экономичность, надежность, ресурс и другие характеристики. Трудности проектирования лопаток обусловлены тем, что в процессе работы они подвергаются значительным механическим и тепловым нагрузкам при высоких температурах, имеют сложную форму и изготавливаются из очень ограниченного круга материалов, обработка которых требуют специальных технологических процессов. В современных газотурбинных двигателях температура рабочего тела (газа) превышает рабочую температуру материала лопаток на 500 К и более, поэтому для обеспечения работоспособности лопаток создают систему воздушного охлаждения. При конструировании необходимо учитывать затраты полезной мощности на прокачку воздуха по системе и возникновение в лопатках значительных температурных напряжений, зачастую сводящих на нет эффект увеличения несущей способности лопаток при уменьшении их температуры. Конструктору приходится искать компромиссные решения между противоречивыми требованиями газодинамического совершенства, минимальной массы, обеспечения заданного в соответствии с ресурсом запаса прочности и. технологичности, включая неразрушающий контроль внутренних полостей лопаток. Это требует от конструктора владения методами газовой динамики, теплообмена прочности и знания технологии.

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

на тему:

«Исследование термонапряженного состояния и оценка ресурса охлаждаемой лопатки турбины авиационного ГТД»

.        ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ: рабочая лопатка 1-й ступенитурбины высокого давления ТВаД.

Материал лопатки - литейный сплав ЖС-6.

.        Продолжительность обобщённого полётного цикла (ОПЦ) t_опц=____.

Сведения о режимах ОПЦ приведены в таблице 2.

.        ОСНОВНЫЕ ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ приведены в таблице 1.

Таблица 1

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

Перечень величин средней интенсивности  и длительности t_i (i=1,2,…6) режимов работы двигателя в ОПЦ приведены в таблице 2.

Таблица 2

.        Исследования должны вестись по плану, представленному в таблице 1. В процессе исследования план может быть скорректирован и изменён по согласованию с консультантом.

.        ОТЧЁТНАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ: результаты исследования должны быть изложены в пояснительной записке. По каждому разделу записки должно быть приведено: постановка задачи раздела, исходные данные, рабочие формулы, наименование программного продукта и результаты расчетов.

В состав записки должен входить следующий иллюстрационный материал:

-       исходные данные к работе, включая сведения о режимах ОПЦ;

-       чертёж среднего сечения лопатки;

-       координаты точек профиля;

-       конечно-элементная сетка;

-       расчёт α наружного;

-       расчёт α внутреннего;

-       исходные данные для расчёта температурного поля лопатки;

-       температурное поле лопатки на базовом режиме;

-       исходные данные для расчёта поля напряжений в лопатке;

-       поле напряжений в лопатке на базовом режиме;

-       вид ОПЦ двигателя;

-       результату расчёта температур и напряжений в критической точке на режимах ОПЦ;

-       результаты расчета поврежцаемостей лопатки по ДП, Пдпi и Пдп,опц;

-       результаты расчета повреждаемостей лопатки по МЦУ для основного цикла Пмцу,1 подцикла ТIмцу,2 и за один ОПЦ в целом Пмцу,опц;

-       результаты расчета ресурсов лопатки по ДП и МЦУ и вид детерминированных кривых безопасности.

Желательно выполнение записки на компьютере. Рекомендуемый шрифт - Times New Roman, интервал - обычный, размер - 12. Межстрочный интервал -минимум. Необходимые разделы работы представлены в таблице З.

Таблица 3

1.     
РАСЧЕТ ГРАНИЧНЫХ УСЛОВИЙ ТЕПЛООБМЕНА НА НАРУЖНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И В КАНАЛАХ ОХЛАЖДАЕМОЙ ЛОПАТКИ

Расчет коэффициентов теплоотдачи на наружной поверхности лопатки

Постановка задачи: необходимо рассчитать коэффициенты теплоотдачи на наружной поверхности охлаждаемой лопатки.

Общие сведения.

Как известно, максимум теплоотдачи на лопатке находится в точке разветвления потока, т.е. на входной кромке. Далее по обеим сторонам профиля по мере формирования ламинарного пограничного слоя коэффициент теплоотдачи а уменьшается, достигая минимума на расстоянии Хн от входной кромки в точках начала перехода ламинарного течения в турбулентное. Начало перехода связано с достижением критического значения числа Рейнольдса . По данным Л.М.Зысиной-Моложен для продольного безградиентного обтекания пластин воздушным потоком зависимость  от турбулентного потока Тu описывается уравнением:

,

Второй максимум теплоотдачи на расстоянии Хк от входной кромки связан с возникновением турбулентного пограничного слоя. Координата  соответствует выражению:

Точки  и  совмещают, считая, что переход от ламинарного к турбулентному происходит в одной точке , соответствующей значению .

Расчет коэффициента теплоотдачи проводится обычно для пяти участков профиля: на входной кромке, в средней части профиля (со стороны корытца и со стороны спинки) и на выходной части (со стороны корытца и со стороны спинки).

На каждом участке  находится из критериального уравнения:

где ;, n - берутся из таблиц;

 - коэффициент, учитывающий вращение лопатки;- расчётный диаметр;длина пера лопатки;, q - берутся из таблиц;

В предварительных расчетах можно считать, что вращение увеличивает теплоотдачу с наружной поверхности лопатки в 1,3...1,4 раза.

Расчет граничных условий теплообмена.

Для снижения температуры лопатки применили следующий вид охлаждения: конвективное в каналах охлаждения. Расчеты по описанной методике выполняются ха ЭВМ с помощью программы gru.ехе.

Программа «Теплоотдача на наружной поверхности gru.ехе рассчитывает коэффициенты теплоотдачи на наружной поверхности профиля лопатки по методикам ЦИАМ, КАИ и -др. для работы программы необходимо ввести следующие значения величин:

-       диаметр входной кромки - 0,7 мм;

-       хорда профиля - 7,4мм;

-       угол входа потока - 38 град;

-       угол выхода - 24 град;

-       длина лопатки - 16 мм;

-       средний диаметр проточной части - 161,5 мм;

-       «греющая» температура газа на входе в решётку - 1270 К;

-       «греющая» температура газа на вы ходе из решётки - 1270 К;

-       давление на входе - 0,64 МПа;

-       давление на выходе - 0,29 МПа;

-       скорость потока на входе -- 298 м/с;

-       скорость потока на выходе - 558 м/с;

-       расчетный радиус - 80,75 мм;

-       частота вращении - 51000 об/мин;

После запуска программы и ввода этих значений получаем значения коэффициентов теплоотдачи α на входной кромке, в средней части профиля (на корытце и спинке) и на выходной части (со стороны корытца и со стороны спинки). Результаты расчета представлены на рисунке 1.

Рисунок 1 - расчёт коэффициентов наружного теплообмена

По данным расчета видно, что максимум теплоотдачи находится в точке разветвления потока на входной кромке. Далее по обеим сторонам профиля по мере формирования ламинарного пограничного слоя коэффициент теплоотдачи уменьшается.

2.      СОЗДАНИЕ КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОЙ СЕТКИ

Постановка задачи: необходимо создать конечно-элементную расчётную сетку.

Общие сведения.

Для решения данной задачи используем подмодуль САПР «Расчетная сетка», который является частью программы для расчёта охлаждаемых лопаток турбин и предназначен для автоматизированного построения сетки триангуляционных (треугольных) элементов внутри плоской многосвязной области для решения уравнений теплопроводности и термонапряженного состояния.

Условия для создания расчетной сетки:

.        Располагается расчетная сетка в первом квадрате координатной системы так, чтобы для координат любой точки контура выполнялось условие Х>0 и У>0. 2.

.        Количество опорных точек должно быть минимальным (достаточным для описания контура прямолинейными отрезками). Между опорными точками автоматически будут добавлены промежуточные точки с заданным шагом.