Расчет турбинной лопатки с конвективно-пленочным охлаждением

Тип работы:
Курсовая
Предмет:
Производство и технологии


Узнать стоимость новой

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Содержание

  • 1. Подготовка и анализ исходных данных
  • 2. Создание сетки конечных элементов
  • 3. Расчет граничных условий теплообмена
  • 3.1 Расчет коэффициентов теплоотдачи на наружном контуре лопатки
  • 3.2 Расчет коэффициентов теплоотдачи в каналах охлаждения
  • 3.3 Расчет коэффициентов теплоотдачи в перфорационных каналах охлаждения
  • 5. Расчет температурного поля
  • 6. Расчет термонапряженного состояния
  • 7. Анализ термонапряженного состояния
  • 8. Оптимизация термонапряженного состояния
  • 8.1 Расчет коэффициентов теплоотдачи в каналах охлаждения
  • 8.2 Расчет коэффициентов теплоотдачи в перфорационных каналах охлаждения
  • 8.3 Расчет греющей температуры воздушной завесы
  • 8.4 Расчет температурного поля
  • 8.5 Расчет термонапряженного состояния
  • 8.6 Анализ термонапряженного состояния
  • Вывод
  • Перечень источников

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 усредняется из-за высокой частоты вращения. Поэтому можно учитывать только радиальную неоднородность потока, полагая, что для среднего сечения коэффициент радиальной неоднородности потока з=0,05.

Греющая температура рассчитывается по формуле:

Поскольку =1640К > 1450К, то для обеспечения эффективной работы турбины необходимо применить комбинированное конвективно-заградительное охлаждение [рисунок 1. 1].

Рисунок 1.1 — Поперечное сечение охлаждаемой лопатки.

Охлаждающую температуру находим по формуле:

где — температура торможения за компрессором, К;

— изменение температуры вследствие спутной закрутки, =90К схема изображена на рис. 1. 2;

Рисунок 1.2? Схема подвода охлаждающего воздуха

— подогрев воздуха центробежными силами, град.

— окружная скорость, м/с;

— радиус подвода охлаждающего воздуха, мм;

— длина канала подвода воздуха, мм;

— конвективный подогрев в магистралях подвода,.

Принимаем ТЛ =1150 К. Тогда эффективность охлаждения равна

По графику рис. 1.1 [1] определяем расход охлаждающего воздуха по кривой для конвективно-заградительного охлаждения — 2,5%.

турбинная лопатка охлаждение теплоотдача

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.

В районе перфорационных отверстий температурное поле трехмерное. Чтобы свести задачу к двухмерной, проводят расчет осредненного в пределах шага перфорации температурного поля. С этой целью каждый ряд перфорационных отверстий заменяют одним радиальным каналом прямоугольного сечения, центры которых равномерно распределяют по проекциям оси отверстия на расчетное сечение [рис.2. 1].

Рисунок 2.1? Замена перфорации эквивалентными каналами

Размеры отверстий находим из соотношений:

где — толщина стенки лопатки в месте перфорации, мм;

— длина проекции канала на линию контура, мм;

d — диаметр отверстия перфорации, мм;

t — шаг перфорации, мм;

і — количество замещающих каналов.

Используя соотношение для рабочих лопаток турбин t/d = 5…7, находим для каждого отверстия перфорации (номер канала увеличивается от входной кромки):

Создаем файл «Описание контура» MAKSIM. 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 каждого из внутренних контуров (каналов охлаждения и эквивалентных каналов) по часовой стрелке. Абсциссе первой точки присваивается знак «?».

Редактирование профиля и добавление точек для построения сетки выполняется в программе DELO53. bat. Полученный профиль с дополнительными точками показан на рисунке 2.2.

Программа «Создание расчетной сетки» GRID1. exe — основная рабочая программа подмодуля. После запуска программа запрашивает имя файла с описанием контура. Задаем MAKSIM. st. В результате работы программы создается файл MAKSIM. set, содержащий информацию о созданной сетке в форме, пригодной для межпрограммного обмена.

Изображение полученной сетки приведено на рисунке 2.3.

Рисунок 2.2 — Контур профиля лопатки

Рисунок 2.3 — Конечноэлементная сетка

3. Расчет граничных условий теплообмена

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

,

где — вязкость среды, Па•с;

232,2 м/с? относительная скорость на входе в лопатку РК, м/с;

— плотность газа, кг/м3.

Для данного расстояния определяем номер узла конечного элемента на спинке и корыте профиля. На спинке № узла 18, на корыте — 76.

3.1 Расчет коэффициентов теплоотдачи на наружном контуре лопатки

Результаты расчета ведутся с помощью программы GRU. exe и сохранены в файле GRUREZ. txt, распечатка которого приведена в таблице 3.1.

Таблица 3.1? Расчет коэффициентов наружного теплообмена

3.2 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 3.2 Площадь каналов и их периметр определяем в пакете КОМПАС 3D V13.

Гидравлический диаметр определяем как отношение:

.

Расход воздуха в i-м канале:

.

Далее заносим полученные данные в программу в диалоговом режиме. Результаты расчета сохранены в файле GRYDEF. txt, распечатка которого приведена в таблице 3.3.

Таблица 3.2? Расчет характеристик каналов

№ канала

P, мм

F, мм2

dгидр, мм

Gв, кг/с

, Вт/м2К

1

8,04

3,58

1,78

0,1 522

4313

2

8,22

3,56

1,73

0,1 513

4322

3

9,25

3,57

1,54

0,1 517

4365

4

9,48

3,50

1,50

0,1 509

4378

5

8,94

3,50

1,57

0,1 488

4361

6

10,12

3,51

1,38

0,1 488

4409

Таблица 3.3? Расчет коэффициентов внутреннего теплообмена

3.3 Расчет коэффициентов теплоотдачи в перфорационных каналах охлаждения

Граничные условия на контуре заменяющего канала задаются из условия эквивалентности теплоотдачи в нем теплопередаче в отверстиях перфорации. Эквивалентность будет достигнута, если температуру воздуха в канале принять равной температуре воздуха в перфорации, а коэффициенты теплопередачи в канале и перфорации будут связаны соотношением:

,

где — длина отверстия перфорации.

Коэффициент теплопередачи в перфорационных каналах находим среднее арифметическое в охлаждающих каналах:

4 РАСЧЕТ ГРЕЮЩЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУШНОЙ ЗАВЕСЫ

Целью расчета является определение изменения эффективности охлаждения и температуры лопатки вдоль корыта и спинки профиля.

Расчет выполняется в программе OHLAGD. exe, куда и заносятся исходные данные по геометрии профиля (MAKS. set, созданный программой GRID1. exe) и параметры каждой из завес.

Рассчитаем скорости воздуха на выходе из отверстий перфорации:

? из условия пропускания расхода воздуха рядом перфорации:

где? суммарная площадь перфорации одного канала, м2;

i? число отверстий перфорации по высоте лопатки:

? одним отверстием по уравнению Христиановича:

где m? коэффициент расхода;

Y (л)? газодинамическая функция, принимаемая равная 1 для оценочного расчета.

Из полученных значений скоростей выбираем меньшее, корректируя в меньшую сторону. Исходные данные для расчета приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1? Расчет температуры воздушных завес

№ зав.

dотв. , мм

t, мм

Угол выдува, град

Угол в плане, град

Давление воздуха, Па

Темп-ра воздуха, К

Скорость, м/с

Давление газа, Па

Темп-ра газа, К

Скорость газа, м/с

1

0,3

1,5

77

0

2 351 000

855

47

1 147 500

1483,7

251,7

2

0,3

1,5

42

0

2 351 000

855

86

979 700

1483,7

397,4

3

0,3

1,5

78

0

2 351 000

855

47

1 152 500

1483,7

247,4

В результате расчета с применением действия завес по длине профиля корыта и спинки программа создает 2 файла со значениями температур KORITO. tm и SPINKA. tm, распечатки которых представлены в таблицах 4. 2,4.3 Также представлены в графическом виде изменения параметров завесной пленки по корыту и спинке на рисунке 4.1.

Таблица 4.2? Температуры по корыту лопатки

Таблица 4.3? Температуры по спинке лопатки

Рисунок 4.1? Изменение параметров завесной пленки по корыту и спинке лопатки

5. 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 MAKSIM. tm:

9 1? тип задачи (стационарная, плоская)

0

1 15 — количество отрезков задания теплоотдачи

4 18 41 68 76 90 92 110 122 136 150 164 167 172 176

8199? коэффициент теплоотдачи на входной кромке

2848? коэффициент теплоотдачи на ламинарном участке спинки

3349? коэффициент теплоотдачи на турбулентном участке спинки

4409? коэффициент теплоотдачи в щели

3894? коэффициент теплоотдачи на турбулентном участке корыта

3560? коэффициент теплоотдачи на ламинарном участке корыта

8199? коэффициент теплоотдачи на входной кромке

4313? коэффициент теплоотдачи в канале № 1

4322? коэффициент теплоотдачи в канале № 2

4365? коэффициент теплоотдачи в канале № 3

4378? коэффициент теплоотдачи в канале № 4

4361? коэффициент теплоотдачи в канале № 5

3963? коэффициент теплоотдачи в эквивалентном канале № 1

4119? коэффициент теплоотдачи в эквивалентном канале № 2

4148? коэффициент теплоотдачи в эквивалентном канале № 3

1 6 — количество отрезков задания температуры среды

5 — 41 68 — 91 92 176 — границы отрезков задания температуры среды

1211 — «греющая» температура, єС

1081

…? 36 значения температур участков по спинке, єС

1185

855? «охлаждающая» температура, єС

1110

…? 23 значения температур по корыту, єС

1104

1121 — «греющая» температура, єС

855? «охлаждающая» температура, єС

800 700 1000

20

26

4100

6400

Материал лопатки: сплав ЖС? 32.

После ввода исходных данных рассчитываем температурные поля с помощью программы GRID2. exe. Результаты расчета MAKSIM. 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 MAKSIM. set MAKSIM. tem. Результаты расчета приведены на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1 — Распределение изотермических полей температур в охлаждаемой лопатке

6. Расчет термонапряженного состояния

Расчет термонапряженного состояния выполняем с помощью программы GRID3. exe. Для расчета исходных данных находим центробежную силу лопатки:

Изгибающие моменты от действия газовых сил определим следующим

образом:

Ресурс лопатки ТВД составляет 4800 циклов. Тогда при среднем времени работы на взлетном режиме 1,5 минуты, ресурс лопатки будет равен 120 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 6.1? Исходные данные для расчета термонапряженного состояния

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.

Для просмотра результата используем программу IZOL. exe, которой указываем имя файла, содержащего данные о температурном поле лопатки: IZOL. exe MAKSIM. set sig. dat. Результат будет занесен в файл с именем MAKSIM. sig. Картина изменения напряжений показана на рисунке 6. 1

Рисунок 6.1? Распределение полей напряжений в охлаждаемой лопатке

7. Анализ термонапряженного состояния

Анализ проводим с помощью программы ANALYZE. exe.

Задаем время работы на максимальном режиме 120 часов.

Результат анализа представлены на рисунке 7. 1

Рисунок 7.1? Анализ термонапряженного состояния лопатки турбины

Точка № 68 имеет запас прочности 1,273, что меньше допустимого запаса прочности 1,3…1,33. Из графика анализа термонапряженного состояния лопатки (рисунок 7. 1) видно, что можно увеличить расход охлаждающего воздуха приблизительно на 5 — 8% для получения нужных коэффициентов запаса прочности.

8. Оптимизация термонапряженного состояния

В связи с тем, что спроектированная лопатка не удовлетворяет нормам прочности будем корректировать расход охлаждающего воздуха. Увеличим расход на 6% и произведем пересчет.

8.1 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 8.1 Площадь каналов и их периметр определяем в пакете КОМПАС 3D V13.

Далее заносим полученные данные в программу в диалоговом режиме. Результаты расчета сохранены в файле GRYDEF. txt, распечатка которого приведена в таблице 8.2.

Таблица 8.1? Расчет характеристик каналов

№ канала

P, мм

F, мм2

dгидр, мм

Gв, кг/с

, Вт/м2К

1

8,04

3,58

1,78

0,1 643

4454

2

8,22

3,56

1,73

0,1 634

4466

3

9,25

3,57

1,54

0,1 639

4515

4

9,48

3,50

1,50

0,1 630

4526

5

8,94

3,50

1,57

0,1 607

4507

6

10,12

3,51

1,38

0,1 607

4562

Таблица 8.2? Расчет коэффициентов внутреннего теплообмена

8.2 Расчет коэффициентов теплоотдачи в перфорационных каналах охлаждения

Граничные условия на контуре заменяющего канала задаются из условия эквивалентности теплоотдачи в нем теплопередаче в отверстиях перфорации. Эквивалентность будет достигнута, если температуру воздуха в канале принять равной температуре воздуха в перфорации, а коэффициенты теплопередачи в канале и перфорации будут связаны соотношением:

,

где — длина отверстия перфорации.

Коэффициент теплопередачи в перфорационных каналах находим среднее арифметическое в охлаждающих каналах:

8.3 Расчет греющей температуры воздушной завесы

Рассчитаем скорости воздуха на выходе из отверстий перфорации:

? из условия пропускания расхода воздуха рядом перфорации:

? одним отверстием по уравнению Христиановича:

Из полученных значений скоростей выбираем меньшее, корректируя в меньшую сторону. Исходные данные для расчета приведены в таблице 8.3.

Таблица 8.3? Расчет температуры воздушных завес

№ зав.

dотв. , мм

t, мм

Угол выдува, град

Угол в плане, град

Давление воздуха, Па

Темп-ра воздуха, К

Скорость, м/с

Давление газа, Па

Темп-ра газа, К

Скорость газа, м/с

1

0,3

1,5

77

0

2 351 000

855

51

1 147 500

1483,7

251,7

2

0,3

1,5

42

0

2 351 000

855

93

979 700

1483,7

397,4

3

0,3

1,5

78

0

2 351 000

855

51

1 152 500

1483,7

247,4

В результате расчета с применением действия завес по длине профиля корыта и спинки программа создает 2 файла со значениями температур KORITO. tm и SPINKA. tm, распечатки которых представлены в таблицах 8. 4,8.5 Также представлены в графическом виде изменения параметров завесной пленки по корыту и спинке [рис.8. 1].

Таблица 8.4? Температуры по корыту лопатки

Таблица 8.5? Температуры по спинке лопатки

Рисунок 8.1? Изменение параметров завесной пленки по корыту и спинке лопатки

8.4 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.

Создаем файл исходных данных MAKSIM. tm:

9 1? тип задачи (стационарная, плоская)

0

1 15 — количество отрезков задания теплоотдачи

4 18 41 68 76 90 92 110 122 136 150 164 167 172 176

8199? коэффициент теплоотдачи на входной кромке

2848? коэффициент теплоотдачи на ламинарном участке спинки

3349? коэффициент теплоотдачи на турбулентном участке спинки

4562? коэффициент теплоотдачи в щели

3894? коэффициент теплоотдачи на турбулентном участке корыта

3560? коэффициент теплоотдачи на ламинарном участке корыта

8199? коэффициент теплоотдачи на входной кромке

4454? коэффициент теплоотдачи в канале № 1

4466? коэффициент теплоотдачи в канале № 2

4515? коэффициент теплоотдачи в канале № 3

4526? коэффициент теплоотдачи в канале № 4

4507? коэффициент теплоотдачи в канале № 5

4097? коэффициент теплоотдачи в эквивалентном канале № 1

4258? коэффициент теплоотдачи в эквивалентном канале № 2

4287? коэффициент теплоотдачи в эквивалентном канале № 3

1 6 — количество отрезков задания температуры среды

5 — 41 68 — 91 92 176 — границы отрезков задания температуры среды

1210.7 — «греющая» температура, єС

1077. 6

…? 36 значения температур участков по спинке, єС

1184. 8

855? «охлаждающая» температура, єС

1102. 5

…? 23 значения температур по корыту, єС

1100. 6

1210.7 — «греющая» температура, єС

855? «охлаждающая» температура, єС

800 700 1000

20

26

4100

6400

Материал лопатки: сплав ЖС? 32.

После ввода исходных данных рассчитываем температурные поля с помощью программы GRID2. exe. Результаты расчета MAKSIM. 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 MAKSIM. set MAKSIM. tem. Результаты расчета приведены на рисунке 8.2.

Рисунок 8.2 — Распределение изотермических полей температур в охлаждаемой лопатке

8.5 Расчет термонапряженного состояния

Расчет термонапряженного состояния выполняем с помощью программы GRID3. exe.

Для просмотра результата используем программу IZOL. exe, которой указываем имя файла, содержащего данные о температурном поле лопатки: IZOL. exe MAKSIM. set sig. dat. Результат будет занесен в файл с именем MAKSIM. sig. Картина изменения напряжений показана на рисунке 8. 3

Рисунок 8.3? Распределение полей напряжений в охлаждаемой лопатке

8.6 Анализ термонапряженного состояния

Анализ проводим с помощью программы ANALYZE. exe.

Задаем время работы на максимальном режиме 120 часов.

Результат анализа представлены на рисунках 8.4 — 8.5.

Рисунок 8.4? Анализ термонапряженного состояния лопатки турбины

Рисунок 8.5? Анализ термонапряженного состояния лопатки турбины

Точка № 68 имеет запас прочности 1,308, что соответствует допустимому запасу прочности 1,3…1,33.

Вывод

В результате выполнения работы была разработана конструкция охлаждаемой лопатки первой ступени турбины высокого давления ТВВД. По ходу проекта, исходя из температуры газа перед турбиной, был выбран тип охлаждения лопатки — конвективно-пленочный. С помощью пакета программ SAPR был построен контур профиля лопатки, потом была проведена его разбивка на сетку конечных элементов. Далее рассчитаны коэффициенты теплоотдачи на поверхности лопатки, внутри конвективных каналов охлаждения, а так же внутри эквивалентных каналов, произведены расчеты заградительного охлаждения, температурного поля и термонапряженного состояния лопатки. По расчетам критическая точка № 68 находится на выходной кромке лопатки со стороны корыта. В конце работы была произведена оптимизация термонапряженного состояния лопатки и рассчитаны необходимые расходы воздуха через каналы охлаждения и перфорационные каналы. Минимальный запас прочности составляет. Расчеты соответствуют ресурсу лопатки 120 часов.

Перечень источников

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.

Показать Свернуть
Заполнить форму текущей работой