Создание обобщённой методики расчёта системы внутренних воздушных потоков ГТД

• Автор: Тисарев, Андрей Юрьевич
• Шифр специальности: 05.07.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Самара
• Количество страниц: 184 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава 1 Современное состояние и задачи исследования систем внутренних воздушных потоков авиационного двигателя

1.1 Существующие методики расчёта СВВП

1.1.1 Методы определения параметров рабочего тела в каналах СВВП

1.1.2 Анализ неопределенностей в системах

1.1.3 Численный анализ воздушных систем

1.2 Методы расчёта каналов СВВП

1.2.1 Методы расчёта гидравлических характеристик лабиринтных уплотнений

1.2.2 Методы определения момента сопротивления воздуха и тепловыделения во вращающихся каналах
1.2.3 Методы расчёта трактового уплотнения
1.2.4 Методы расчёта воздушных систем с вращающимися отверстиями
1.3 Постановка задач исследования
Глава 2 Совершенствование методики расчёта гидравлических характеристик структурных элементов СВВП за счёт учёта изменения размеров и формы каналов в процессе работы двигателя
2.1 Каналы воздушной системы
2.2 Определение деформаций элементов уплотнений
2.2.1 Определение осесимметричных перемещений
2.2.2 Определение асимметричных перемещений
2.3 Методика расчёта характеристик лабиринтного уплотнения с осесимметричной формой зазора
2.4 Анализ влияния размеров структурных элементов СВВП на параметры эффективности двигателя
2.5 Выводы по главе
Глава 3 Разработка методики расчёта тепловых характеристик воздушных каналов и полостей СВВП с учётом внутреннего подогрева воздуха и нестационарное процессов
3.1 Исследование работы лабиринтного уплотаения в составе системы подвода охладителя к рабочим лопаткам турбины высокого давления
3.2 Оценка подогрева воздуха в каналах за счёт трения, вызванного вращением ротора
3.3 Исследование процесса втекания газа в притрактовые полости из-за окружной неравномерности полей давления
3.4 Оценка локального теплообмена при анализе системы управления радиальными зазорами турбины
3.5 Выводы по главе
Глава 4 Разработка методик расчёта и проектирования системы внутренних воздушных потоков газотурбинного двигателя
4.1 Обобщённая методика расчёта СВВП авиационного двигателя с применением численного анализа
4.2 Методика расчёта параметров СВВП по циклу работы двигателя
4.3 Примеры использования методик расчёта СВВП
4.4 Методика проектирования СВВП в авиационном двигателе
4.5 Выводы по главе
Заключение
Список сокращений и условных обозначений
Библиографический список

ВВЕДЕНИЕ
Газотурбинный двигатель (ГТД) является одной из сложнейших и наукоёмких технических систем. Он заключает в себе современные достижения в области материалов, производства, термо- и газодинамики, процессов горения, теплопередачи, механики твёрдого тела, надёжности, электроники и многого другого. Основным параметром ГТД, определяющим его топливную эффективность является удельный расход топлива, уменьшение которого, в основном достигается в процессе развития двигателей за счёт повышения эффективности термогазодинамического цикла (температура газа перед турбиной, суммарная степень повышения давления в компрессоре, степень двухконтурности, а также коэффициент полезного действия (КПД) составляющих двигатель узлов). Газотурбинные двигатели первого поколения (1940-1950гг.) имели уровень температуры газа перед турбиной 900-1150К и степень повышения давления в компрессоре 3-5,5, тогда как пятое поколение двигателей достигло температуры на уровне 1860-1950К и степень повышения давления более 50. Другим важным показателем является ресурс двигателя, который увеличился с нескольких сотен на первых серийных машинах до 50-70 тысяч часов [1].
Как и любая техническая система, газотурбинный двигатель развивается по 8-образному закону развития, описанным Г.С. Альтшулером [2]. Наиболее резкий подъём в развитии пришёлся в большей части на 4-ое поколение двигателей, который был вызван существенным повышением степени двухконтурности, широким применением титана и жаропрочных сплавов совместно с эффективными системами охлаждения, а также применением современных методов прочностного и газодинамического проектирования [1]. Однако сейчас, наблюдается замедление в улучшении топливной экономичности двигателя. Температура газа перед турбиной приближается к стехиометрической и охлаждение теплонагруженных деталей требует увеличения количества отбираемого воздуха, использования новых материалов, применения эффективных теплообменников или модернизации технологий охлаждения

Выступающие асимметричные элементы конструкции, такие как болты, оказывают существенное влияние на структуру потока и, как правило, увеличивают потери мощности на сопротивление, приводящие к подогреву воздуха [16].
В работе [64] авторы провели серию экспериментов по определению коэффициента момента Ст для болтов, установленных на роторе, и получили следующую зависимость
где N - количество болтов;
Б- диаметр; р - окружной шаг;
Яь - радиус установки болтов;
Кіп - внутренний радиус диска;
Р- площадь поперечного сечения.
Уравнение имеет следующие ограничения: 1,5 < (г/а) < 2,25; 3 < (рЮ) < 20;
Также в работе [64] было показано, что расположение болтов на внешнем радиусе полости оказывает более существенное влияние на потери мощности, чем в случае расположения на внутреннем радиусе. Для случая установки болтов на статоре в работе [64] предложено принимать коэффициент момента на одну треть меньше, чем коэффициент момента для случая установки болтов на роторе.
В работе [65] были также проведены экспериментальные исследования по определению коэффициента момента полости с установленными на роторе болтами и получена следующая зависимость