Математическая модель и пакет программ для численного анализа теплового состояния лопаток турбомашин на стадии их автоматизированного проектирования

• Автор: Фомин, Александр Николаевич
• Шифр специальности: 05.13.18, 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Ульяновск
• Количество страниц: 121 с. : ил.

Введение
ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ ТЕПЛОВЫХ РАСЧЕТОВ ЛОПАТОК ТУРБОМАШИН В ПРОЦЕССЕ ИХ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
1.1. Вопросы повышения точности расчетного прогнозирования теплового состояния лопаток на стадии их автоматизированного проектирования

1.2. Способы охлаждения лопаток турбомашин

1.3. Методы расчета процессов теплоотдачи от рабочего тела к лопатке

1.3.1. Методы расчета процессов теплоотдачи от рабочего тела к лопатке

на основе уравнений подобия

1.3.2. Методы расчета пограничного слоя на поверхности лопатки и проблемы замыкания задачи для турбулентного течения.

1.3.3. Методы расчета структуры потока в межлопаточном канале турбомашин

1.4. Методы расчета процессов теплоотдачи от лопатки к охладителю в системах охлаждения
1.5. Методы расчета пространственного температурного поля лопатки с учетом зависимости теплофизических свойств материала от температуры
1.6. Цель и задачи исследования.
ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ЛОПАТОК ТУРБОМАШИН
2.1. Математическая формулировка задачи нестационарной теплопроводности для лопатки
2.2. Математическая формулировка задачи расчета граничных условий на поверхностях лопатки.
2.2.1. Расчет граничных условий на основе уравнений подобия.
2.2.2. Математическая формулировка задачи расчета граничных условий на основе численного решения дифференциальных уравнений пограничного слоя
2.3. Методика расчета граничных условий теплообмена на внутренней поверхности охлаждающих каналов.
ГЛАВА 3. ПАКЕТ ПРОГРАММ И БАЗА ДАННЫХ ДЛЯ АНАЛИЗА ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ЛОПАТОК.
3.1. Общая структура программного пакета
3.2. Модуль генерации расчетной сетки лопатки.
3.3. Модуль расчета граничных условий теплообмена на поверхностях лопатки
3.4. Базы данных по теплофизическим свойствам.
3.5. Модуль расчета теплового состояния лопатки
3.6. Анализ достоверности полученных результатов.
3.6.1. Оценка погрешности полученных результатов.
3.6.2. Сопоставление результатов с литературными данными.
ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ЛОПАТКИ С КОМБИНИРОВАННОЙ СИСТЕМОЙ ОХЛАЖДЕНИЯ.
4.1. Расчетные исследования эффективности завесы при пленочном охлаждении лопатки
4.2. Результаты моделирования теплового состояния лопатки с пленочноконвективной системой охлаждения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ.
Список литературы


Расчет граничных условий теплообмена на поверхностях спинки и корыта лопатки осложняется существованием сопоставимых по длине участков с различными режимами течения в пограничном слое ламинарным, переходным, турбулентным, значительным влиянием на обменные процессы в пограничном слое продольного градиента давления, кривизны поверхности, повышенной внешней турбулентности, неизотермичности, сжимаемости течения, непостоянства температуры поверхности стенки. В настоящее время определение граничных условий теплообмена для элементов ГТД осуществляется на основе эмпирических уравнений подобия с погрешностью . Расчеты, выполненные по формулам различных авторов, дают зачастую существенно различные данные. В интегральных методах расчета не учитываются некоторые особенности течения, реализующегося в решетках турбомашин, например, повышенная турбулентность набегающего потока рабочего тела, учет которых необходим для более точного определения условий теплообмена или учет их ведется по различным эмпирическим зависимостям. Задача расчета температурного поля лопатки является трехмерной нелинейной, отличающейся переменностью граничных условий на геометрически сложном контуре границ. Расчет температурного состояния лопатки необходимо проводить с учетом зависимости теплофизических свойств материала лопатки от температуры. Для более точного определения граничных условий необходимо перейти к использованию нового поколения более точных численных методов расчета, базирующихся на анализе дифференциальных уравнений пограничного слоя, и использовании моделей турбулентности, адекватно отражающих влияние интенсивных воздействий на поток рабочего тела в проточной части ГТД. Ресурсы современных ЭВМ позволяют численно решать системы дифференциальных уравнений, описывающих течения в сложных областях. Для практического применения методов численного решения имеют значение не только математическая точность и согласование расчета с экспериментом, но и вопросы простоты и удобства работы с программным обеспечением, особенно, на стадии проектирования лопаток турбомашин в САПР. В этом случае удобно и желательно работать с пакетами программ для расчета теплового состояния лопаток интегрированными в пакет САПР. Появляется возможность выполнять необходимое число раз расчетный анализ теплового состояния лопаток в процессе их автоматизированного проектирования при каждом внесении изменений в проект лопатки. Различают системы и схемы охлаждения лопаток. Система охлаждения совокупность элементов и узлов, обеспечивающих подготовку охлаждающей среды, подачу ее к охлаждаемой лопатке и использование охладителя после отвода теплоты от лопатки , , , , ,, . Схема охлаждения совокупность каналов, отверстий, щелей и полостей в различных их сочетаниях, посредством которых осуществляется ввод охлаждающего воздуха в лопатку, распределение его внутри лопатки для обеспечения требуемого отвода теплоты от отдельных участков лопатки и от всей лопатки . Системы охлаждения классифицируют по двум принципиальным признакам по роду применяемого хладагента на воздушные, жидкостные и воздушножидкостные двухконтурные по способу использования охладителя в турбине и в ГТД на открытые, замкнутые и полузамкнутые. Наибольшее распространение получила воздушная открытая система охлаждения сопловых и рабочих лопаток. Эта система сравнительно проста по конструкции и надежна в эксплуатации, она является по существу единственной практически применяемой для охлаждения газовых турбин. Вместе с тем при постоянном повышении температуры газа в ГТД расход воздуха в воздушных открытых системах становится недопустимо большим. Меньшее развитие получили жидкостные и двухконтурные системы охлаждения. Жидкостное охлаждение способно обеспечить наибольшее повышение температуры газа в ГТД практически до максимальных температур горения углеводородных топлив. Потеря мощности на подготовку и прокачивание хладагента в жидкостной системе малы, и их можно не учитывать в расчетах ГТД. Конструктивное выполнение жидкостных систем, и, прежде всего герметизация всей системы, значительно сложнее, чем воздушных. Поэтому жидкостное охлаждение лопаток пока широко не применяется. Главное преимущество воздушных схем охлаждения сравнительная простота и эксплуатационная надежность.