Расчет турбинной лопатки с конвективно-пленочным охлаждением - Курсовая работа

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. Поэтому можно учитывать только радиальную неоднородность потока, полагая, что для среднего сечения коэффициент радиальной неоднородности потока ?=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]. изменение температуры вследствие спутной закрутки, =90К схема изображена на рис.1.2;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. 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]. 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.Для определения точки перехода потока из ламинарного в турбулентный на профиле лопатки, используем зависимость по Рейнольдсу, для Rekp =105: , где - вязкость среды, Па•с;Результаты расчета ведутся с помощью программы GRU. exe и сохранены в файле GRUREZ. txt, распечатка которого приведена в таблице 3.1.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: .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.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; Исходные данные для расчета приведены в таблице 4.1. 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.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. 8199 - коэффициент теплоотдачи на входной кромке 2848 - коэффициент теплоотдачи на ламинарном участке спинки 3349 - коэффициент теплоотдачи на турбулентном участке спинки 4313 - коэффициент теплоотдачи в канале №1Расчет 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. 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. Для расчета термонапряженного состояния запускаем программу GRID3. exe.Анализ проводим с помощью программы ANALYZE. exe. Задаем время работы на максимальном режиме 120 часов.В связи с тем, что спроектированная лопатка не удовлетворяет нормам прочности будем корректировать расход охлаждающего воздуха.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.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.Расс

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

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", 1995г.

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

Размещено на .ru