Разработка и использование математических моделей для расчета термонапряженного состояния деталей и узлов газотурбинных установок

• Автор: Богов, Игорь Александрович
• Шифр специальности: 05.04.12
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 40 с. : ил.; 20х15 см

Актуальность работы. Господствующим направлением в развитии газотурбо-строения было я остается повышение температуры цикла с соответствующим увеличением степени повышения давления. Усовершенствование систем охлаждения, жаростойких и жаропрочных материалов н покрытий, обеспечившие рост максимальной температуры с 1000 - 1200 К у первых образцов ГТУ до 1600 - 1750 К в настоящее время, сопровождается повышением коэффициента полезного действия н удельной мощности установки, снижением ее удельной массы, габаритов и стоимости [ 1*8, 17-19 J.
Из всех элементов высокотемпературного тракта ГТУ в наиболее напряженных условиях работает лопаточный аппарат турбины, оценка надежности работы которого непосредственно базируется на знании его термонапряженного состояния. С цепью повышения экономичности системы охлаждения лопаточный аппарат проектируется на предельно допустимые температуры, превышение которых в эксплуатационных условиях способно вследствие снижения критерия прочности привести к резкому снижению надежности лопаток турбин и ГТУ в цепом. Совместное действие таких факторов, как повышение температуры газа н интенсификация процессе« охлаждения приводит к возникновению в лопатках больших градиентов температурного поля, обусловливающих соответственно высокий уровень температурных напряжений. Высокий уровень градиентов температурного поля и температурных напряжений наблюдается на пусковых, остановочных и переходных режимах работы ГТУ в так называемых 14н©охлаждаемых”, (охлаждаемых только через межхвостовые зазоры) лопатках [ 1, 10, 13,34].
В связи с этим существует широкий круг проблем обеспечения прочности и долговечности деталей газотурбинных установок. Среди этих проблем важное значение имеет дальнейшее совершенствование методов расчета и исследования температурных напряжений на различных режимах работы ГТУ. Учитывая системные факторы рыночных отношений, накладывающие жесткие ограничения на сроки проектирования и изготовления ГТУ [ 21 ], разработка и использование достаточно точных и простых методик расчета термонапряженного состояния деталей и узлов и, в частности, лопаток турбин являются актуальными [6, 11, 12,14,16, 21 ].
Для решения этой проблемы в 60-е годы были привлечены творческие коллективы различных предприятий, организаций, вузов и, в частности, С.-ПИМаш при непосредственном участии автора сначала в качестве ответственного исполнителя, а затем научного руководителя научного направления [35-39).
Начиная с этого периода были развернуты теоретические и экспериментальные исследования температурного и термонапряженного состояния деталей и узлов ГТУ типа ГТ-25, П Н-9, ГТ-100, ГТЭ-150 и тд. Экспериментальные исследования выполнялись как на головных образцах ГТУ в эксплуатационных условиях, так и на физических моделях, на специальных стендах, разработчиком которых является автор.
Исследования выполнялись в соответствии с Постановлениями: ПСНТ СМ СССР >*400 от 15.11.1970 г., №430 от 26.11.1976 г., а также Постановлениями ГКНТ, Госплк СССР, АН СССР №516/272/174 от 29.12.198! г., Госнауки и высшей школы РСФСГ 1 от ' 5.03.91 г., Госкомитета по Высшей школе РФ №133 от 19.09.93 г., Правите -nsa _т чйской Федерации №360 от 17.04.1995 г., Правительственной комиссии .«о-технической политике (протокол заседания от 28.05.1996 г. №2,
ВК-П2, ' *6пр) и Указам Президента Российской Федерации №884 от 13.06.1996 г. и№903 : 06.1996г.
Рез , . ы указанных многолетних исследований автора, опубликованных в печати, - даются в настоящей работе.
ÜA . боты заключается в создании математических моделей в аналитической форме % отряженного состояния деталей и узлов турбин и реализации этих моделей в виде соответствующих программных комплексов, достаточно эффективных для выполнения в сжатые сроки при минимальных трудовых затратах многовариантных расчетов по оптимизации конструкций на начальных стадиях проектирования газотурбинных установок (ГТУ).
На защиту выносятся основные результаты разработки к обобщения автором математических моделей термонапряженного состояния высокотемпературных деталей и узлов ГТУ, реализованных в программных комплексах БЮМКНА! и СОЫ>-5ЮМА, а также соответствующих теоретических и экспериментальных исследований и их использования.
Научная новизна результатов исследования определяется совокупностью установленных в работе новых н уточненных зависимостей, учитывающих влияние основных режимных и конструктивных факторов на термонапряженное состояние деталей и узлов ГТУ, обобщающих обширный материал теоретических и экспериментальных исследований автора, в том числе проведенных как на головных образцах ГТУ в эксплуатационных условиях, так и на лабораторных установках.
Степень обоснованности и достоверности результатов обеспечивается накопленным научным и практическим опытом создания стационарных газотурбинных установок большой мощности, применением адекватных математических моделей, апробированных опытными данными различных авторов и результатами численного эксперимента, применением современных методов экспериментальных и численных исследований и ПЭВМ, обеспечивающих необходимую точность полученных результатов.
Апробация. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Ре- , гиональных научно-технических конференциях (г.Санкт-Петербург, 1967, 1968, 1970); Всесоюзной научно-технической конференции (Институт проблем прочности АН УССР, 1973); Всесоюзной межвузовской конференции по газотурбинным установкам (МВТУ им.Н.Э.Баумана, 1974); Республиканской научно-технической конференции (Институт проблем машиностроения АН УССР, 1991); Научно-техническом совете отдела паровых турбин НПОЦКТИ им. И.И.Ползунова (1971, 1972. 1976, 1978, 1984, 1988, 1990 гг.); научно-технических семинарах СКВ ПГУАО ЛМЗ (1971, 1972, 1976, 1978 - 1985 гг,); научно-технических семинарах профессорско-преподавательского состава и сотрудников Санкт-Петербургского института машиностроения (1967 • 1984 гг.); научном семинаре кафедры ‘‘Теория упругости” Санкт-Петербургского Государственного университета (1978 г.); научно-техническом семинаре кафедры “Паровые и газовые турбины” Московского Государственного технического университета (МЭИ, 1991 г.); научно-технических семинарах кафедры “Турбкносгроение и средства автоматики” Санкт-Петербургского института машиностроения (1967 - 1999 гг.); международной научно-технической конференции по сварке, электротермии и механообработке (г.Санкт-Петербург, 1999).
Публикации. В представленной к защите диссертации обобщены основные результаты исследований автора, опубликованные им в течение 30 лет в 6-ти монографиях, 10-ти учебных пособиях, в статьях в центральных научных журналах, сборниках, трудах научных конференций. Всего по теме диссертации автором опубликовано 54 работы, из них один патент. Кроме того, выпущено 16 отчетов по научно - исследовательским работам.
Личный вклад автора. В представленной работе обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных автором самостоятельно, а также совместно с сотрудниками научных групп под руководством автора. При этом автору принадлежит: постановка проблемы и задач теоретических, экспериментальных исследований и их обобщений, разработка математических моделей термонапряженного состояния высокотемпературных деталей и узлов ГТУ, реализованных в соответствующих программных комплексах, разработка поднмоментных характеристик четных и нечетных задач теории упругости для инженерных расчетов, разра-