Анализ теплового состояния температурно-нагруженных элементов ГТД на основе трехмерного моделирования

• Автор: Гомзиков, Леонид Юльевич
• Шифр специальности: 05.07.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Пермь
• Количество страниц: 150 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Цель работы
Достоверность
Научная новизна
Практическая ценность
Внедрение результатов
Глава 1. Анализ современного состояния проблемы
1.1 Моделирование турбулентных течений
1.1.1 Проблемы прямого моделирования
1.1.2 Метод крупных вихрей
1.1.3 Методы на основе уравнений Рейнольдса
1.1.4 Комбинированный подход. Метод отсоединенных вихрей
1.2 Моделирование процессов турбулентного горения
1.2.1 Прямое моделирование переноса
1.2.2 Модель распада турбулентного вихря
1.2.3 Модель тонкого фронта пламени
Выводы по главе
Глава 2. Верификация и уточнение подходов к моделированию
теплопереноса и теплогенерации
2.1 Выбор модели турбулентности
2.1.1 Гипотеза турбулентной вязкости
2.1.2 Описание моделей турбулентности
2.1.3 Методика сравнения моделей турбулентности
2.1.4 Результаты расчета тестовой задачи
2.2 Оценка влияния явного учета ТЗП на эффективность 53 пленочного охлаждения КС
2.3 Разработка дополнительных инструментов для моделирования 59 процессов горения
2.3.1 Модель тонкого фронта пламени

2.3.2 Модель тонкого фронта пламени в приближении 64 диффузионного горения
2.3.3 Определение состава смеси
2.3.4 Взаимодействие процесса диффузионного горения с 72 процессами турбулентного переноса
2.3.5 Модель тонкого фронта пламени в приближении горения 73 частично перемешанной смеси
2.3.6 Определение скорости фронта пламени
2.4 Оценка влияния явного учета течения во внутренних каналах на 83 тепловое состояние стенок рабочей лопатки ТВД
Выводы по главе
Г лава 3. Анализ теплового состояния температурно-нагруженных
элементов ГТД
3.1 Описание моделей
3.2 Экспериментальная установка
3.3 Анализ теплового состояния стенок камеры сгорания
3.4 Анализ теплового состояния рабочих лопаток ТВД
3.4.1 Статор-ротор взаимодействие
3.4.2 Сопряженная постановка
3.4.3 Влияние способа задания граничного условия
3.5 Совместное моделирование КС и первой ступени ТВД
3.6 Учет ламинарно-турбулентного перехода
3.7 Идентификация методики на режиме с подогревом
Выводы по главе
Заключение
Список использованных источников Справка о внедрении результатов работы

«All models are wrong, but some models are useful»1
—George E. P
Введение
В последние десятилетия область применения газотурбинных двигателей (ГТД) все время расширялась. Помимо авиационных двигателей они нашли свое применение в силовых установках практически всех типов средств передвижения (вертолеты, корабли и т.д), наземных энергетических и газоперекачивающих установках, генераторах и силовых приводах различного назначения, постепенно вытесняя другие типы двигателей внутреннего сгорания. Обусловлено это, прежде всего, высоким КПД по сравнению с другими типами двигателей и более широким диапазоном условий применения ГТД.
Причем с расширением применения увеличивается и объем средств, затрачиваемых в мире на производство и эксплуатацию ГТД, а, как следствие, растут и требования по экономичности и надежности работы проектируемых двигателей.
Для того, чтобы удовлетворить современным высоким требованиям к КПД проектируемых двигателей, необходимо обеспечить надежную работу турбины высокого давления (ТВД) при температуре газа на входе выше, чем выдерживают материалы, применяемые в производстве турбин. Причем выше рабочей температуры материала лопатки часто оказывается уже средняя температура газа на входе в ТВД, достигающая величин, порядка 1700 К.
1 Все модели неверны, но некоторые вполне пригодны

существенно сказывается на времени проведения расчетов из-за малых временных масштабов протекающих реакций.
Подобный подход для полномасштабных геометрий, таким образом, реализуем только при использовании сокращенных двух-трех ступенчатых механизмов окисления топлива. Использование детальных механизмов ограничивается академическими и модельными задачами.
1.2.2 Модель распада турбулентного вихря
Возможно, уместнее было бы написать не «модель», а «модели», поскольку их несколько. Тем не менее, все они основаны на предложенной Сполдингом в работе [127] связи скорости реакции и характерной скорости турбулентного смешения.
В самой работе [127] связь предложена в виде:
где Сг и Ст - соответственно концентрация топлива и окислителя, а г -стехиометрический коэффициент.
Чаще применяется модифицированный вариант связи, предложенный Магнуссеном в работе [94]:
В котором учитывается концентрация Ср одного из продуктов реакции.
В формулах (1.19) и (1.20) Ати и ВЕви - константы модели распада турбулентного вихря.
(1.19)
(1.20)