Влияние нестационарных явлений на температурные напряжения и ресурс охлаждаемых лопаток турбин ГТД

• Автор: Чернова, Татьяна Александровна
• Шифр специальности: 05.07.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Пермь
• Количество страниц: 160 с. : ил.

1. Введение
2. Анализ состояния исследований по теме диссертации
2.1. Охлаждение лопаток турбины: конструкция, режимы и условия работы
2.2. Методы и результаты исследования температурных напряжений и разрушения охлаждаемых лопаток
2.3. Выводы по главе. Задачи исследования
3. Нестационарные явления теплообмена в охлаждаемых лопатках турбин
3.1. Нестационарные газодинамические процессы в турбомашинах
3.2. Влияние турбулентности потока на теплообмен на наружной поверхности лопатки
3.3. Влияние нестационарного статор-ротор взаимодействия на эффективность пленочного охлаждения
3.4. Оценка коэффициентов теплоотдачи в областях, имеющих трёхмерные особенности обтекания. Определение температурной функции на лопатке
3.5. Моделирование теплоотдачи во внутренних полостях
3.6. Выводы по главе
4. Моделирование нестационарных тепловых полей и температурных напряжений. Оценка ресурса лопатки турбины
4.1. Методика конечно-элементного анализа нестационарных тепловых полей и температурных напряжений
4.2. Нестационарное поле температур
4.3. Нестационарное поле температурных напряжений. Оценка циклического ресурса лопатки
4.4. Подтверждение достоверности результатов. Сравнение результатов расчётов с экспериментальными и эксплуатационными данными
4.5. Приближенная оценка температурных напряжений
4.6. Анализ влияния условий работы лопатки на температурные напряжения
4.7. Выводы по главе
5. Применение результатов исследования при проектировании двигателя
5.1. Методика оценки температурных напряжений и циклического ресурса охлаждаемых лопаток турбины
5.2. Применение разработанной методики при проектировании лопатки перспективного двигателя
5.3. Выводы по главе
6. Заключение
Список литературы
Приложение. Акт внедрения результатов работы в ОАО «Авиадвигатель»
Достижение конкурентоспособности авиастроения на глобальных рынках является важнейшим шагом в интересах перехода к несырьевой модели экономического роста. В среднесрочный период авиапромышленность, как одна из ведущих отраслей, станет в авангарде инновационного развития российской экономики.
В настоящее время газотурбинные двигатели являются очень востребованной продукцией, спектр применения которой велик. Современные двигатели используются в различных областях хозяйственной деятельности человечества: это и транспортировка природного газа, и электроэнергетические установки, однако, в первую очередь - это гражданская и военная авиация.
Самым современным отечественным двигателем, используемым в гражданской авиации, является двигатель ПС-90А. Благодаря высоким удельным характеристикам он успешно эксплуатируется на магистральных самолетах Ил-96-300 и Ту-204, в ближайшее время планируется его установка на самолеты Ту-214 и Ил-76. Разработаны и выпускаются серийно модификации этого двигателя для наземных энергетических установок и газоперекачивающих станций. В 2003 году на двигателях ПС-90А, эксплуатирующихся на самолетах Ил-96-300 и Ту-204, произошло 4 случая выключения двигателя в полете по конструктивно-производственным недостаткам [57]: 3 случая - на Ил-96-300, 1 случай - на Ту-204. Наработка на выключение в полете составила 35576 часов при норме 32000 часов, наработка на досрочный съем двигателя 3950 часов при норме 4300 часов. По-прежнему остается высоким количество случаев досрочного съема двигателей - 36 за год.
Для обеспечения конкурентоспособности двигателей одними из важнейших требований становятся увеличение надёжности и топливной экономичности. Эти требования противоречивы, так как увеличение топливной экономичности и необходимое для этого увеличение температуры газа перед
турбиной неизбежно снижают надёжность из-за ухудшения прочностных свойств материалов деталей. Сосредоточенность на максимизации полезности по одному из этих требований ведёт к минимизации полезности другого. Однако оба этих требования одинаково важны и требуют взаимной увязки.
Тенденция развития современных конкурентоспособных газотурбинных двигателей такова, что с каждым новым поколением двигателей, температура газа перед турбиной увеличивается. Для того чтобы детали турбины, в частности лопатки, выдерживали высокие температурные нагрузки, разрабатываются жаропрочные и жаростойкие сплавы, а также различные конструктивные схемы охлаждения. Для снижения температуры металла лопатки в основном используется комбинация двух типов воздушного охлаждения: конвективного и плёночного.
Надо сказать, что охлаждением лопаток турбин, в том числе и плёночным, стали заниматься с момента появления первого газотурбинного двигателя. Так на двигателе ЮМО-004 (1943-1945 г.) лопатки статора первой ступени турбины имели плёночное охлаждение.
Вследствие использования воздушного охлаждения для увеличения ресурса деталей турбины возникают зоны с большими температурными градиентами (на наружную поверхность набегает горячий поток газа, а по внутренней полости течёт холодный воздух). Это влечёт за собой появление больших температурных напряжений, которые в совокупности с напряжениями от газодинамических и центробежных сил, а так же с наличием многочисленных концентраторов напряжений в виде штырьков, отверстий, ребер и т.д. могут приводить к появлению трещин в охлаждаемых лопатках турбин.
Исключение связанных с термоусталостью дефектов охлаждаемых лопаток турбин является важнейшей задачей обеспечения надежности двигателей. Термоусталостные трещины возникали, в частности, в рабочих лопатках первой ступени турбины высокого давления двигателя ПС-90А.

Выражая отсюда компоненты относительной скорости получаем ее модуль как:
= л](их2 + (и+ и у)2) (3.3.11)
Расположение отверстий перфорации получено из трехмерной модели рабочей лопатки (рис. 3.1.14).
Основными параметрами, определяющими эффективность пленочного охлаждения в, являются: отношение продольной координаты к диаметру отверстия хЮ, отношение шага к диаметру отверстий ^/Д угловая ориентация а отверстия по отношению к внешнему потоку, интенсивность турбулентности набегающего на лопатку потока Ти, а также отношение массовых расходов охлаждающего воздуха и газа (параметр выдува) М. В соотношении (3.3.1) вводятся параметры:
М = &^ = Р-и, (3.3.12)

где Р - отношение плотностей горячего газа и охладителя,
и- отношение скоростей.
Зависимости между указанными параметрами и эффективностью пленочного охлаждения в устанавливаются на основании специальных экспериментов, проводимых в условиях стационарного потока и носят эмпирический характер.
В работе ВаЫаи£ и др.[48] предложена основанная на обобщении большого объема современных экспериментальных данных эмпирическая зависимость для эффективности пленочного охлаждения, охватывающая широкие пределы изменения основных факторов:
в = в (М , Р ,Ти ,а, 5 / Д, х / Д)
(3.3.13)