Численное моделирование теплового состояния диска турбины высокого давления при модернизации турбореактивного двигателя

1. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ДИСКА ТУРБИНЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ПРИ МОДЕРНИЗАЦИИ ДВУХКОНТУРНОГО ТУРБОРЕАКТИВНОГО

2.

Цель
состояния
работы
диска
ТВД
-
численное
при
моделирование
модернизации
ТРДДФ
теплового
с
учетом
экспериментальных данных термометрирования.
Задачи:
• проанализировать конструкцию турбины высокого давления;
• определить особенности газодинамического проектирования
турбины;
• выбрать наиболее выгодную систему охлаждения;
• установить требования и условия, предъявляемые к диску турбины
высокого давления;
• провести прочностной расчет диска;
• разработать и провести проектировочный расчет системы подвода
охлаждающего воздуха к рабочей лопатке турбины;
• смоделировать и рассчитать тепловое состояние исходного и
усовершенствованного диска, сопоставить результаты расчета.

3.

4.

1
2
3
4
5
6
7
8
–
–
–
–
–
–
–
–
коллектор ВВТ;
клапанный аппарат отключения;
воздушный фильтр;
агрегат управления охлаждением;
электромагнитный клапан;
микровыключатель;
коллектор управляющего воздуха;
воздухо-воздушный теплообменник

5.

Основные геометрические параметры
ТВД на среднем диаметре на режиме
«максимал»
Параметр
Схема меридионального профиля проточной
части турбины двигателя
Турбина
ТВД
G0, кг/с
64,8
p*0, кгс/м2
22000
T*0, °
1650
D1, м
0,68
h1, м
0,052
α1, °
17,4
D2, м
0,676
h2, м
0,058
α2, °
78
NT, квт
25600
zлоп сл
42
zлоп рл
90

6.

1 – камера сгорания;
2 – воздухо-воздушный
теплообменник;
3 – клапанный аппарат;
4 – лопатка соплового
аппарата ТВД;
5 – наружное кольцо;
6 – сотовые вставки;
7 – лопатка рабочего
колеса;
8 – обод;
9 – перепускная трубка;
10 – лопатка соплового
аппарата ТНД;
11 – лопатка рабочего
колеса ТНД;
12 – корпус опоры
турбины;
13 – силовая стойка;
14 – рабочее колесо ТНД;
15 – рабочее колесо ТВД;
16 – аппарат закрутки
Температура (°С) диска
ТВД на максимальном
стендовом режиме

7.

Важнейшими требованиями к конструкции дисков являются
минимальная масса и высокая прочностная надежность.
Первое требование связано с тем, что в общей массе двигателя
масса всех дисков составляет 15 – 20 %. Поэтому уменьшение массы
каждого диска позволяет существенно уменьшить массу всего двигателя,
т.е. улучшить основной показатель качества его конструкции.
Второе требование связано с безопасностью полетов, так как
разрушение дисков в большинстве случаев приводит к самым тяжелым
последствиям.
Уменьшение массы дисков достигается путем совершенствования
их конструктивной формы, применения новых более легких и прочных
материалов, использования более совершенной и точной технологии
изготовления дисков.

8.

Распределение температуры в диске ТВД для
характерных режимов (моментов времени), °С
Номера участков
приложения граничных
условий

9.

Изменение температуры диска ТВД на различных радиусах (в
центре сечений), °С

10.

Общий вид расчетной
модели №2
Общий вид расчетной
модели №1
Общий вид расчетной
модели №3

11.

Схема
расположения
точек в диске ТВД
для анализа НДС
Интенсивность
пластических
деформаций (Модель
№1)
Интенсивность
пластических
деформаций в замке
диска со стороны
входа (Модель №2)
Интенсивность
пластических
деформаций в
отверстии крепления
диска под болт
(Модель №3)

12.

13.

General Electric Company
"S.N.E.C.M.A."
General Electric Company

14.

Тракт
подачи
охлаждающего
воздуха
к
рабочим
лопаткам
турбины
выполнен
без
лабиринтных
уплотнений в зоне высоких
окружных
скоростей
между
статором и ротором турбины,
поэтому давление за АЗ подачи
охладителя
к
РЛ
турбины
практически равно давлению в
зазоре
между
сопловым
аппаратом (СА) и рабочим
колесом ТВД.

15.

1 - сопловое устройство;
2 - подкачивающее устройство;
3 - имитатор радиальных каналов диска турбины.

16.

17.

По результатам экспериментальных
данных была установлена зависимость
отношения давления торможения воздуха в
относительном движении на выходе из
радиальных каналов диска ТВД к
статическому давлению на выходе из аппарата
закрутки к перепаду давления на аппарате
закрутки.
Результаты исследований эффективности системы
подачи охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам
Результаты этих испытаний положены в
основу расчета коэффициента потерь в
безлопаточном диффузоре блд
который, по сути, является отношением
степени повышения давления в
безлопаточном диффузоре, полученной в ходе
эксперимента, к степени повышения давления
в безлопаточном диффузоре, полученной
расчетным путём.
Коэффициент потерь в безлопаточном диффузоре

18.

Pвх _ аз
- Полное давление на входе в АЗ,
Pв ых _ аз
- Статическое давление на срезе АЗ,
Т
- Полная температура на входе в АЗ,
вх _ аз
- Геометрические данные по АЗ, (Rаз , , Fаз) 1
аз
- Коэффициент скорости,
- Угловая скорость диска, w

19.

a кр 18,3 Т вх _ аз
С1 аз _ действ a кр
блд _ ид
W12
2010
С1U С1 cos 1
цб 1
( 2 )
ГДФ
T2
k
k 1
Т цб
U 32 U 22
2010
P3 P3*W цб P2
аз _ действ аз аз _ ид
R2
W1U C1U U1
W1а C1а
W12U W12a
C1U R аз
w
2 C 2 U a кр
блд _ действ блд _ ид блд
Т цб
цб ( цб )
W1
аз _ ид
U1 w R аз
С1а С1 sin 1
Tаз* Tвх
_ аз T1W
( 2 )
( аз _ действ )
блд
ГДФ
( аз _ действ )
*
T1 Tвх
_ аз ( аз _ действ )
T1*W T1
ГДФ
( аз _ ид ) 1 / аз
аз Pвх
_ аз / Pвых _ аз
C2U U 2 w R 2
P2 P2*W Pвых _ аз блд _ действ
U3 w R 3
T3 T3*W T2 Т цб
*
T2 T2*W Tвх
_ аз ( 2 )
вх _ рл блд _ действ цб

20.

Параметр
P*вх_аз
Pвых_аз
T*вх_аз
n
w
с_аз
P*w_ср
k
Pрл_твд_вт
Pрл_твд_ср
Исходные данные
Размерность
кГс/см2
кГс/см2
K
об/мин
1/с
кГс/см2
кГс/см2
кГс/см2
8,1
4,2
783
13699
1435
0,94
5,5
1,4
4,0
2,9
Расчет безлопаточного вихревого диффузора
Параметр
Размерность
аз
1,9286
( аз)
0,5185
1,0132
aз_ид
аз_действ
0,9524
0,5635
( аз_действ)
aкр
м/с
512
м/с
488
C1
C1U
м/с
477
( аз_действ)
0,8488
К
665
T1
T*1W
697
м/с
330
C2 = C2U
0,6444
2
( 2)
0,7780
0,9308
( 2)
T*2W
К
729
1,3807
блд_идеальн
блд
0,8966
1,2379
блд_действ
P2
кГс/см2
5,20
Расчет центробежной подкачки на участке
обода диска до входа в РЛ ТВД
Параметр
Размерность
К
8
T*ц/б
1,0111
ц/б
*ц/б
1,0393
P3
кГс/см2
5,40
T3
K
737
кГс/см2
0,5
P (потери)
P*W3 ≡ P3(R3)
кГс/см2
4,90
1,67
_лоп
Расчет центробежной подкачки на участке от
входа в РЛ ТВД до Rср лопатки
Параметр
Размерность
*
К
39
T ц/б
1,0533
ц/б
*ц/б
1,1993
2
P4
кГс/см
5,88
T4
K
766
2,00
_вых.кр.
_перф
1,07

21.

22.

Носок ТВД
Вал КВД

23.

24.

Граничные условия для режима Н = 0, М = 0
№ участка
α, Вт/(м2∙К)
t, °С
№ участка
α, Вт/(м2∙К)
t, °С
1
100
450
13
90
430
2
617
433
14
1177
433
3
935
433
15
120
295
4
2800
362
16
3000
295
5
3600
433
17
500
150
6
923
550
18
5000
180
7
1596
570
19
500
150
8
811
470
20
3000
285
9
1511
474
21
100
315
10
1523
427
22
100
305
11
290
427
23
100
300
12
2123
430
24
120
295

25.

I режим (Н = 0, M = 0)
XI режим (Н = 11, M = 2)

26.

XI режим
(Н = 11, M = 2)
I режим (Н = 0, M = 0)

27.

№
п/п
Участок
на
исх.
мод.
Участок
на
усовер.
мод.
Темп.
исх.
мод., °С
Темп.
усовер.
мод., °С
1
1
1
469
442
2
2
2
500
491
3
3
3
515
444
4
4
4, 5
466
434
5
6
8
559
553
6
7
9
640
628
7
8
10
563
560
8
9
11
552
531
9
10
12
520
520
10
11
13
506
466
11
12
14
519
519
12
13
15
483
477
13
14
16
521
523
14
17
19
153
182
15
18
20
225
225
16
21
24
454
455
17
22
25
454
453
18
23
26
462
493
19
24
28
468
440

28.

В д а н н о й р а б о т е б ы л п р о вед е н п р оч н о с т н о й
р а сч е т д и с к а Т ВД и п р о е к т и р о воч н ы й р а сч е т с и с т ем ы
п о д во д а ох л а ж д а ю щ е г о воз д у х а к р а б оч е й л о п а т к е Т ВД .
Резул ь та т п р оч н о с т н о г о р а сч е та п о к аз ал , ч то
максимальные
напряжения
находятся
в
выкру жке
замкового паза и отверстии крепления под болт. В них
следует
ожидать
наибольшие
пластические
деформации.
П р о е к т и р о воч н ы й р а сч е т п оз вол я ет о п р ед ел и т ь
изменение термодинамических параметров по тракту
транспортировки
воздуха
и
его
геометрические
характеристики,
что
являетс я
основой
выбора
и
обоснования
кон струк ти вн ого
исполнения
самой
системы транспортировки воздуха применительно к
известным схемам охлаждения газовой турбины.
В
результате
исследования
на
основании
комп лекса п рограмм матема тич еско го моделиро ван ия
был спроектирован ротор ТВД с наиболее выгодной
п о д ач е й о х л а д и т е л я к р а б о ч и м л о п а т к а м т у р б и н ы и
проведена
верификация
на
основании
экспериментальных исследований.