Реферат: Зменшення радіальної нерівномірності температурних полів у дисках роторів ГТД дискобарабанної конструкції
НАЦІОНАЛЬНИЙ АЕРОКОСМІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ім. М.Є. ЖУКОВСЬКОГО «ХАРКІВСЬКИЙ
АВІАЦІЙНИЙ ІНСТИТУТ»
Харченко Андрій Олександрович
УДК 621.438.226
ЗМЕНШЕННЯ РАДІАЛЬНОЇ НЕРІВНОМІРНОСТІ ТЕМПЕРАТУРНИХ ПОЛІВ У ДИСКАХ РОТОРІВ ГТД ДИСКОБАРАБАННОЇ КОНСТРУКЦІЇ
спеціальність 05.05.03 — двигуни та енергетичні установки
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук
Харків — 2008
Дисертацією є рукопис.
Роботу виконано на кафедрі енергоустановок морських суден і споруд Севастопольського національного технічного університету Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Салов Микола Миколайович, Севастопольський національний технічний університет, професор кафедри енергоустановок морських суден і споруд.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Олійник Олексій Васильович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», професор кафедри конструкції авіаційних двигунів;
кандидат технічних наук, Голощапов Володимир Миколайович,
Інститут проблем машинобудування
ім. А.М. Підгорного НАН України, старший науковий співробітник
відділу моделювання та ідентифікації
теплових процесів.
Захист відбудеться “20” червня 2008 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.062.02 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” за адресою: 61070, м. Харків-70, вул. Чкалова, 17, ауд. 307 головного корпусу.
З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” за адресою: 61070, м. Харків-70, вул. Чкалова, 17.
Автореферат розісланий “6” травня 2008 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Д64.062.02 Л.О. Базима
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Україна є державою з розвинутим транспортним і енергетичним газотурбобудуванням. Необхідність створення конкурентноздатних на світовому ринку газотурбінних двигунів (ГТД) нового покоління вимагає реалізації високих параметрів термодинамічного циклу при високих надійності і ресурсі. Основним напрямком удосконалювання ГТД є збільшення температури газу перед турбіною поряд зі збільшенням ступеня підвищення тиску повітря в компресорі. За час практичного застосування ГТД ріст температури газу перед турбіною склав більш 700 К (до 1700 К і вище), при цьому оптимальні значення ступеня підвищення тиску (відповідні максимальній роботі циклу або максимальному ККД) також ростуть, досягаючи для сучасних і перспективних двигунів величини 30 і більш.
Високі значення параметрів циклу позначаються на температурному стані дисків роторів компресора і турбіни. Відомо, що при транспортуванні охолоджуючого повітря через ротор компресора перепад температур по радіусу дисків останніх ступенів компресорів високого тиску може складати 200...400 К. Напруги, викликані радіальним градієнтом температури, істотно впливають на розподіл сумарних напруг у диску, особливо на нестаціонарних режимах роботи ГТД. На нестаціонарних режимах температурні напруги міняються не тільки по величині, але і за знаком, викликаючи термоциклічне навантаження, що сприяє розвиткові утоми металу і зниженню міцності диска аж до його руйнування. Високий рівень температури безпосереднім образом впливає на запас міцності роторів, знижуючи такі характеристики матеріалу як межі міцності, тривалої міцності, повзучості й утоми. Таким чином, виникає проблема зменшення негативного впливу високих параметрів циклу на термонапружений стан дисків роторів.
Величину температурних напруг у дисках прагнуть зменшити, застосовуючи різні схеми підведення охолоджуючого повітря. Найбільш значні результати досягаються при обдуві диска одноступеневої турбіни високого тиску, у той же час градієнти температур у дисках роторів осьових компресорів і багатоступеневих турбін дискобарабанної конструкції залишаються досить високими внаслідок „холодної” маточини диска при існуючих схемах охолодження ротору. Тому зменшення радіальної нерівномірності температурних полів дисків роторів ГТД є актуальною задачею.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Робота виконана в Севастопольському національному технічному університеті (СевНТУ) за планами науково-дослідних робіт кафедри енергоустановок морських суден і споруд, а також при виконанні робіт з договорів №56/95 «Експериментальні дослідження інтенсифікації теплообміну в порожнині ротора з осьовим плином охолоджувача на стаціонарних і перехідних режимах роботи двигуна» (РК 194U017348); №27/99 «Експериментальні дослідження роботи ежекційних пристроїв для інтенсифікації теплообміну в порожнинах роторів ГТД».
Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є зменшення радіальної нерівномірності температурних полів у дисках роторів ГТД за допомогою застосування пристроїв, що використовують динамічний напір осьового потоку повітря, що відбирається на охолоджування двигуна.
Для досягнення поставленої мети необхідно розв’язати наступні задачі:
— виконати аналіз існуючих схем охолодження дисків роторів ГТД і структури плинів в обертових циліндричних порожнинах;
— розробити конструкції пристроїв, що зменшують нерівномірність температури по радіусу диска за допомогою переносу теплоти до маточинної частини диска;
— експериментально дослідити радіальну нерівномірність температури диска з пристроями, використовуючими динамічний напір осьового потоку повітря, що відбирається на охолодження двигуна;
— узагальнення результатів експерименту і отримання розрахункових залежностей для опису температурного стану екранованих дисків з ежекторними пристроями і неекранованих дисків роторів ГТД, що охолоджуються осьовим потоком повітря;
— зіставлення на основі одержаних залежностей термонапряженного стану неекранованих дисків роторів ГТД і екранованих дисків з ежекторними пристроями.
Об'єкт дослідження — ротор дискобарабанної конструкції авіаційного ГТД.
Предмет дослідження є температурне поле в дисках роторів ГТД.
Методи дослідження. Використовувалися: фізичне моделювання для вивчення температурного поля дисків, методи візуалізації плину і теорія подоби при дослідженні працездатності ежекторних каналів, метод статистичної обробки даних для аналізу результатів експерименту й оцінки погрішності.
Наукова новизна одержаних результатів:
¾ вперше розроблено та випробувано пристрої для зменшення радіальної нерівномірності температурних полів у дисках роторів ГТД дискобарабанної конструкції, засновані на використанні динамічного напору осьового потоку охолоджуючого повітря; експериментально встановлено, що пристрої, ежектуючі повітря з міждискової порожнини, більш ефективні для зменшення нерівномірності температур по радіусу диска, ніж пристрої, що змінюють напрямок плину осьового потоку охолоджувача для подачі повітря в міждискову порожнину;
¾ на основі виконаних експериментальних досліджень уточнені залежності для розрахунку температури дисків роторів з осьовим плином охолоджуючого повітря;
¾ на основі виконаних експериментальних досліджень вперше отримана залежність для розрахунку температури по радіусу екранованих дисків з ежекторними пристроями.
Практичне значення одержаних результатів. Унаслідок застосування розроблених конструкцій охолоджуючих пристроїв забезпечується зниження перепаду температур по радіусу дисків і зменшення температурних напруг, що дозволяє підвищити міцнісну надійність дисків або зменшити масу екранованого диска в порівнянні з неекранованим при рівних запасах міцності.
Отримані узагальненням результатів експерименту розрахункові залежності дозволяють розрахувати розподіл температур по радіусу дисків ГТД на стадії проектування, не задаючись граничними умовами теплообміну, що істотно скорочує розмірність задачі в порівнянні з існуючими методами розрахунку.
Виконані дослідження у формі науково-технічних звітів представлені в науково-виробничий комплекс газотурбобудування «Зоря-Машпроект» (м. Миколаїв), у науково-дослідну лабораторію перспективних двигунів Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут» (м. Харків), ЗМКБ «Прогрес» (м. Запоріжжя), НВО «Сатурн» (м. Рибінськ, РФ). Результати досліджень використовуються для оцінки температурного стану неекранованих компресорних дисків ГТД на стаціонарних режимах роботи, у практиці наукових досліджень з розробки методів підвищення тривалої міцності і безвідмовності перспективних двигунів, а також у практиці проектування сучасних високонавантажених роторів, що підтверджується актами про практичне використання.
Особистий внесок здобувача при виконанні дисертаційної роботи є вибір напрямку, методів і методик дослідження, особиста участь у проведенні експериментів, а також узагальнення отриманих результатів. Внесок автора в роботи, виконані в співавторстві, складався в особистій участі у всіх стадіях роботи, починаючи від постановки задачі, виконання теоретичних і експериментальних досліджень до впровадження отриманих результатів.
Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи апробовані на: VI, VII, VIII, IX, X, XI та XII Міжнародних конгресах двигунобудівників (Харків — Рибаче, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007 рр.), III Російській національній конференції з теплообміну (Москва, МЕІ, 2002р.), наукових конференціях Севастопольського національного технічного університету (СевНТУ) «Нові технології в машиноприладобудуванні і на транспорті» (2001р.) і «Енергомашинобудування» (2005 р.); наукових семінарах СевНТУ (у 2006р. і 2007р.) і Національного аерокосмічного університету «ХАІ» (2007р.).
Публікації. За темою дисертації опубліковано 10 друкованих праць, у тому числі 7 статей у спеціалізованих виданнях ВАК України (1 — без співавторів), і 3 тези доповідей на республіканських і міжнародних науково-технічних конференціях. Отримано три патенти України на винаходи.
Обсяг і структура роботи. Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та додатка. Основний матеріал викладений на 129 сторінках, повний обсяг дисертації — 160 сторінок, в тому числі 76 рисунків (6 сторінок), 6 таблиць, 122 найменування списку використаних джерел на 13 сторінках, додаток на 12 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обгрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету і задачі досліджень, наукова новизна і практичне значення отриманих результатів. Приводиться рівень апробації роботи, особистий внесок здобувача і кількість публікацій за темою дисертаційної роботи.
У першому розділі розглянуті системи охолодження роторів дискобарабанних конструкцій, виконаний огляд теоретичних і експериментальних робіт з теплообміну і гідродинаміки плинів у порожнинах роторів ГТД. Показано, що найбільш повно досліджено теплообмін і гідродинаміка плинів у замкнутих порожнинах, порожнинах з радіальною, пітльовою, напівпітльовою і осьовою схемами плину охолоджувача, які найчастіше зустрічаються в конструкції ротора. Описано структури плинів в обертаючихся міждискових порожнинах ротора. Установлено, що в порожнині з осьовим плином охолоджувача в поверхні гарячого диска утворюється шар охолоджувача, що відбирає тепло від диска і, не змішуючись з охолоджувачем, що заповнює порожнину, стікає до центра обертання, роблячи істотний вплив на розподіл температури по радіусу диска. Приведено аналіз сучасних способів повітряного охолодження дисків роторів. Розглянуто принципові схеми з радіальним і струминним обдувом, продувкою повітря через зазори між диском і обертовим дефлектором, з екрануванням маточинної частини диска. На основі аналізу зроблений висновок, що існуючі схеми охолодження не позбавлені недоліків, тому що зберігається нерівномірність температур по радіусу диска, що є причиною виникнення високих термічних напружень, які негативно впливають на міцнісні характеристики дисків. Виходячи з виконаного аналізу, визначені мета і задачі досліджень.
У другому розділі описаний вибір напрямку дослідження, представлене обґрунтування обраної методики і техніки вимірів, описані конструкція і параметри експериментальної установки (рис.1), методика і техніка вимірів. Робоча ділянка експериментальної установки (рис. 2) являє собою модель п'ятиступеневого ротора осьового компресора з транспортуванням повітря, що відбирається на охолодження турбіни, через внутрішні порожнини ротора. У роторі робочої ділянки установлювалися випробовувані конструкції пристроїв для зменшення радіальної нерівномірності температур. Тепловий потік створювався електронагрівачем з нержавіючої сталевої стрічки, покладеним по утворюючій барабана робочої ділянки.
Рис.2. Робоча ділянка експериментальної установки:
1 – напіввал лівий; 2 – барабан; 3 – диск; 4 – проставочне| кільце; 5 – внутрішній електронагрівач; 6 – зовнішній електронагрівач; 7 – захисний кожух; 8 – центральний вал; 9 – мідно-графітові щітки; 10 – напіввал правий; 11 – повітряпідводжуюче ущільнення.
У якості термодатчиків застосовувалися термопари типу хромель-алюмель зі стеклотканевою ізоляцією. Вільні термоелектроди термопар виводилися з вала ротора робочої ділянки і підключалися до ртутного струмознімача. Реєстрація температури здійснювалася через многоканальний аналогово-цифровий перетворювач.
Складено план експерименту, описана методика обробки результатів вимірів, виконана оцінка помилок вимірів. Показано, що використовувані засоби вимірів дозволяють досягти необхідної точності визначення шуканих величин.
У третьому розділі представлені виконані на експериментальній установці дослідження температурного стану дисків із пристроями двох типів, що використовують динамічний напір осьового потоку повітря, що відбирається на охолодження двигуна, для зменшення радіальної нерівномірності температурних полів дисків. Дослідження виконувалися при різних щільністях теплового потоку, витратах охолоджувача і кутової швидкості обертання ротора робочої ділянки і центрального вала.
Як показали результати експериментів, пристрої, що змінюють напрямок плину осьового потоку (рис. 3), є малоефективними, тому що динамічного напору повітря недостатньо, щоб повітря, що направляється повітророзподільниками в порожнину, вплинуло на зменшення нерівномірності розподілу температури по радіусу диска.
а 
б
в
г
Установлено, що найбільш ефективно знижують перепад температур по радіусу диска пристрої, принцип дії яких заснований на ежекції з міждискової порожнини ротора гарячого шару, що формується на поверхні проставочних кілець і диска. Ежекторний пристрій утворює з центральним валом канал, що звужується (сопло), у якому швидкість осьового потоку охолоджуючого повітря зростає. Активний потік, що виходить із сопла, захоплюючи за собою частки навколишнього пасивного повітря, створює розрідження, за допомогою якого здійснюється ежектування розігрітого повітря з порожнини ротора. Схеми ежекторних пристроїв показані на рис. 4, 5.