Метод определения величины радиального зазора в турбине авиационного двигателя и способ его регулирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат технических наук Бутонов, Виктор Валерьевич

• Бутонов, Виктор Валерьевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бутонов, Виктор Валерьевич

Введение.

ГЛАВА 1. Влияние радиального зазора на характеристики ГТД, методы расчёта и регулирования.

1.1. Влияние радиального зазора на характеристики газовой турбины авиационного двигателя.

1.2. Методы и результаты расчётов величины радиальных зазоров.

1.3. Способы экспериментального определения величины радиального зазора на работающем двигателе.

1.4. Методы регулирования радиального зазора в компрессоре и турбине.

1.5. Объект исследования - турбина высокого давления и система регулирования радиального зазора двухкоптурного двигателя РД1700.

1.6. Цели работы и решаемые задачи.

ГЛАВА 2. Методика моделирования радиального зазора по тепловому состоянию ротора и статора ГТД.

2.1. Анализ течения и выбор критериальных зависимостей для расчёта граничных условий для элементов турбины.

2.2. Метод расчёта теплового состояния деталей двигателя.

2.3. Методика для экспериментальной проверки адекватности математической модели теплового состояния деталей двигателя.

2.4. Методика расчёта радиального зазора и оптимизации величины монтажного радиального зазора.

ГЛАВА 3. Методы экспериментального определения величины радиального зазора на работающем двигателе.

3.1. Требования к измерительному устройству.

3.2. Конструкция оптической системы.

3.3. Разработка системы охлаждения и узла крепления оптической системы эндоскопа.

3.4. Методика проведения и обработки экспериментов, программное обеспечение.

3.5. Квалификационные эксперименты.

ГЛАВА 4. Исследование влияния радиального зазора ТВД на характеристики двигателя РД1700.

4.1. Температурное состояние турбины на стационарных и переходных режимах.

4.2. Влияние режимов и условий эксплуатации на величину радиального зазора турбины.

4.3. Исследование влияния величины радиального зазора ТВД на тягу и КПД двигателя.

ГЛАВА 5. Регулирование радиального зазора.

5.1. Методика разработки мероприятий по регулированию радиального зазора.

5.2. Программа регулирования радиальных зазоров.

5.3. Оценка эффективности мероприятий. 247 Выводы. 265 Литература. 269 Приложение 2. 278 Приложение 4. 298 Приложение 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод определения величины радиального зазора в турбине авиационного двигателя и способ его регулирования»

Одной из основных задач при проектировании современных газотурбинных двигателей (ГТД) является повышение его коэффициента полезного действия. Эффективность газотурбинных двигателей в свою очередь сильно зависит от потерь энергии, вызванных наличием радиального зазора в компрессоре и турбине.

Поэтому существует необходимость в регулировании радиального зазора для того, чтобы его величина на всех режимах работы двигателя была минимальной, но достаточна для предотвращения врезания торца рабочей лопатки в детали статора.

Важное место в мероприятиях по регулированию радиального зазора занимает расчёт его величины на рабочих режимах двигателя. При этом расчётная методика должна позволять достаточно точно и достоверно определить величину радиального зазора, чтобы ещё на этапе проектирования задать оптимальную величину монтажного радиального зазора. Данная методика необходима также и при разработке мероприятий по регулированию радиального зазора.

Расчётное определение радиального зазора базируется на комплексе сложных теплогидравлических и деформационных моделей, а проверка точности получаемых результатов с помощью данных средств может быть осуществлена только прямым измерением величины радиального зазора на работающем двигателе. Для этого необходима методика измерения величины радиального зазора и средства её реализации в виде экспериментальной установки и программного обеспечения проведения эксперимента и обработки его результатов.

Целью настоящей работы является повышение эффективности ГТД путём оптимизации величины монтажного радиального зазора и регулирования радиального зазора в процессе эксплуатации. Для достижения цели работы должна быть разработана инженерная методика расчёта величины радиального зазора для условий эксплуатации двигателя. Действенность разработанной методики определяется с помощью средств непосредственного измерения радиального зазора на работающем двигателе. На основе анализа результатов расчётных исследований величины радиального зазора должны быть определены пути регулирования радиального зазора и разработаны методы проектирования системы его регулирования.

Результаты исследований по созданию метода определения величины радиального зазора и способа его регулирования, а также экспериментальной проверке работоспособности разработанных методов изложены в пяти главах диссертации.

В первой главе проведён анализ зависимостей приведенных в научно-технической литературе, определяющих влияние величины радиального зазора на КПД двигателя для различных вариантов конструкции турбины.

Рассмотрены приведенные в научно-технической литературе методы расчётного определения величины радиального зазора, описаны их достоинства и недостатки. Проведен анализ закономерностей изменения радиального зазора приведенных в научно-технической литературе, которые получены в результате расчёта по приведенным методикам на нестационарных циклах работы двигателей. Определены интервалы нестационарных циклов, на которых наблюдаются минимальные и максимальные значения радиального зазора. Интервалы на которых расчётное значение радиального зазора минимально, представляют интерес как наиболее опасные из-за возможности врезания рабочих лопаток в детали статора.

Проведен анализ способов экспериментального определения величины радиального зазора на работающем двигателе, определены их достоинства и недостатки, а также границы применимости. Изучены методы регулирования радиального зазора (пассивные и активные), а также влияние их внедрения на величину радиального зазора. Проведён анализ изменения величины радиального зазора за рабочий цикл до, и после внедрения системы регулирования радиального зазора.

Во второй главе разработана методика расчёта радиального зазора, включающая моделирование гидравлики и теплового состояния деталей ротора и статора газовой турбины.

Для определения теплового состояния ротора и статора двигателя разработана тепло-гидравлическая модель деталей турбины.

Созданная модель узлов ротора и статора ТВД использовалась для определения значений граничных условий третьего рода, необходимых для расчёта температурных полей деталей турбины. Разработана методика экспериментального определения температур деталей двигателя с целыо определения адекватности созданной для расчёта его теплового состояния математической модели. Разработанная методика расчёта радиального зазора использует результаты расчёта теплового состояния деталей двигателя.

В третьей главе разработан метод дистанционного измерения радиального зазора в турбине высокого давления турбореактивного двухконтурного двигателя. Разработана методика проведения и обработки экспериментов, включающая в себя проверку работоспособности системы, а также монтаж измерительного устройства.

Проведены квалификационные эксперименты для проверки эффективности используемой методики, которые включают в себя замеры радиального зазора как с помощью жёсткого эндоскопа бокового зрения, так и методом истираемых щупов.

В четвёртой главе представлены результаты численных исследований влияния режимов и условий эксплуатации на величину радиального зазора ТВД, а также результаты численных исследований влияния радиального зазора ТВД на характеристики двигателя.

В пятой главе разработаны и научно обоснованы мероприятия по регулированию радиального зазора ТВД РД1700 разработанные путём анализа расчётов величины радиального зазора для конструкции статора в исходной компоновке. По результатам анализа предложен вариант конструкции статора с пассивной системой регулирования радиального зазора.

Для разработки конструкции системы регулирования предложена упрощённая инженерная методика основанная на определении средней температуры силовой части корпуса турбины при которой обеспечивается величина радиального зазора равная монтажной. С помощью данной методики разработана система активного регулирования радиального зазора.

Проведено расчётное исследование влияния радиального зазора ТВД па характеристики двигателя для вариантов конструкции статора с пассивной и активной системой регулирования. На основании анализа эффективности различных вариантов конструкции сделан вывод о целесообразности внедрения разработанной системы регулирования.

На защиту выносятся:

- методика расчёта теплового состояния деталей двигателя;

- методика расчёта радиального зазора;

- методика измерения величины радиального зазора с помощью жёсткого эндоскопа бокового зрения.

- методический подход к разработке системы регулирования радиального зазора основанный на определении температуры статора при которой величина радиального зазора равна монтажной и проектировании системы охлаждения статора исходя из необходимости максимального приближения его теплового состояния к данной температуре.

Заключение диссертации по теме «Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов», Бутонов, Виктор Валерьевич

ВЫВОДЫ

1. Разработана методика создания тепловой модели статора и ротора турбины, чьё тепловое состояние влияет на величину радиального зазора, а также методика расчёта граничных условий третьего рода у поверхностей деталей статора и ротора.

2. Разработана методика создания математической модели для определения теплового состояния деталей статора и ротора путем решения двумерной задачи теплопроводности с использованием граничных условий третьего рода.

3. Разработана методика проверки адекватности математической модели теплового состояния деталей ротора и статора, которая заключается в сравнении температур деталей ротора и статора полученных в результате расчёта с данными термометрирования при испытаниях двигателя. Сравнение экспериментальных и расчётных значений показало, что различие между замеренными и рассчитанными температурами не превышает 10 С (1.2 %) для деталей статора и диска ротора, а для рабочей лопатки не превышает 20 С (1.8 %), что позволяет сделать вывод об адекватности используемой модели.

4. Разработан расчётно-экспериментальный метод определения величины радиального зазора в турбине авиационного двигателя для различных режимов работы и условий эксплуатации.

5. Разработана инженерная методика расчёта величины радиального зазора, учитывающая влияние как силовых, так и термических деформаций ротора и статора. Данная методика реализована в программном комплексе «RADIAL» для ПЭВМ. Экспериментальная проверка разработанной расчётной методики показала отклонение результатов расчёта от экспериментальных данных не более чем на 0.05 мм (или не более 7 %), что позволяет сделать вывод об адекватности используемой методики.

6. Разработана методика и оборудование для измерения величины радиального зазора на работающем двигателе. В соответствии с требованиями к измерительному устройству спроектированы узел крепления и система охлаждения жёсткого эндоскопа бокового зрения.

7. Разработана методика испытаний для измерений радиального зазора в турбине, программное обеспечение для записи и обработки результатов экспериментов. Результаты измерений радиального зазора с помощью разработанной установки на двигателе РДЗЗ показали её надёжность в работе и высокую точностью проводимых измерений. Выбраны переходные режимы, имитирующие наиболее характерные изменения работы двигателя во время полёта самолёта, а также режимы, на которых могут быть наименьшие значения радиального зазора.

8. Проведены квалификационные эксперименты для проверки эффективности используемой методики, которые включают в себя замеры радиального зазора, как с помощью жёсткого эндоскопа бокового зрения, так и методом истираемых щупов. Анализ результатов измерения показал высокую сходимость результатов полученных указанными методами, а, следовательно, и адекватность метода измерения радиального зазора с помощью жёсткого эндоскопа бокового зрения.

9. Проведено численное исследование изменения радиального зазора ТВД ТРДД на стационарных режимах и нестационарных циклах работы двигателя при различных условиях эксплуатации. Определено влияние величины радиального зазора на характеристики турбины и двигателя:

- минимальная величина радиального зазора имеет место на режиме сброса оборотов перед посадкой самолёта после длительного полёта с максимальной скоростью у земли в условиях лета и составляет 0,28 мм (0,8 % от высоты проточной части турбины);

- максимальная величина радиального зазора имеет место на режиме работы двигателя при взлёте и разгоне самолёта до максимальной скорости у земли в условиях лета и составляет 1,57 мм (4,2 %);

- на режиме разгона двигателя при взлёте самолёта для полёта с максимальной скоростью у земли в условиях лета падение КПД турбины вследствие влияния радиального зазора составляет 7,6 %, а падение тяги двигателя 4,2 %, что может сильно затруднить возможность взлёта самолёта при ограниченной длине взлётно-посадочной полосы аэродрома;

- на режиме набора высоты самолётом после выхода из пикирования величина радиального зазора составляет 1,06 мм (2,9 %), падение КПД турбины вследствие его влияния 5,1 %, а падение тяги двигателя 2,9 %, что сильно ограничивает возможности манёвра самолёта.

Все вышеуказанные расчёты проведены при величине монтажного радиального зазора равной 0,8 мм.

10. Предложен новый методический подход к разработке системы регулирования радиального зазора, основанный на определении средней температуры силовой части корпуса турбины («идеальной» температуры) при которой обеспечивается величина радиального зазора равная монтажной. Выбор типа активной СРРЗ осуществляется таким образом, чтобы при создании системы регулирования средняя температура силовой части корпуса турбины наиболее сильно приближалась к «идеальной». Проведено расчётное обоснование конструктивных изменений турбины высокого давления.

11. Разработаны конструкции системы пассивного и активного регулирования радиального зазора турбины высокого давления авиационного двигателя РД-1700. Проведено численное исследование изменения радиального зазора ТВД ТРДД для вариантов конструкции двигателя оснащённых пассивной и активной СРРЗ в результате которого установлено следующее:

- введение активной СРРЗ увеличило минимальную величину радиального зазора до 0,57 мм, что позволяет уменьшить монтажный зазор на 0,2 мм (с 0,8 до 0,6 мм);

- введение активной СРРЗ снизило максимальную величину радиального зазора до 1,34 мм (при монтажном 0.8 мм) и, соответственно, до 1,14 мм при монтажном 0,6 мм;

- уменьшение максимальной величины радиального зазора до 1,14 мм приводит к росту КПД турбины на 2,1 %, а тяги двигателя на 1,15 % (при монтажном зазоре 0,6 мм), что улучшает взлётные характеристики самолёта;

- на режиме работы двигателя во время набора высоты самолётом после выхода из пикирования величина радиального зазора после введения активной СРРЗ уменьшилась до 0,65 мм, КПД турбины вырос на 2,0 %, а тяга двигателя возросла на 1,1 % (при монтажном зазоре 0,6 мм);

- в результате внедрения активной СРРЗ среднее (по исследованным нестационарным циклам) повышение КПД ТВД составляет 1,9 %, а тяги двигателя 1 %.

12. Сравнение характеристик двигателя (КПД турбины и тяги двигателя) для вариантов конструкции статора ТВД в исходной компоновке, а также оснащённых пассивной и активной СРРЗ показывает высокую эффективность мероприятий по активному регулированию радиального зазора и целесообразность создания активной СРРЗ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бутонов, Виктор Валерьевич, 2004 год

1. «Влияние радиального зазора и бандажирования рабочих лопаток на потери КПД в выеоконагруженных охлаждаемых турбинах». К.М. Попов, М.Х. Мухтаров, Л.И. Киселев, И.В. Сафроньев. М., 1980. Труды ЦИАМ № 911.

2. Локай В.И., Максутова М.К., Стрункин В.А. «Газовые турбины двигателей летательных аппаратов». М. «Машиностроение». 1991.

3. Кириллов И.И., Климцов А.А. «Потери энергии в турбинной ступени с бандажом и без бандажа». «Теплоэнергетика», 1963, № 2.

4. Зальф Г.А., Звягинцев В.В. «Тепловой расчет паровых турбин». М., «Машгиз», 1961.

5. Максутова М.К. «К расчету потерь, вызванных радиальным зазором в рабочем колесе». «Известия вузов. Авиационная техника». 1965, № 2.

6. Тырышкин В.Г., Широков Б.А. «О влиянии бандажа и скрепляющей проволоки на КПД турбинной ступени с длинными лопатками». -«Теплоэнергетика», 1957, № 9.

7. Гукасова Е.А., Михайлова В.А., Тырышкин В.Г. «Особенности процесса обтекания концевых частей необандаженных лопаток и их влияние на КПД турбинной ступени». «Теплоэнергетика», 1970, №4.

8. Дейч М.Е., Трояновский Б.М. «Исследования и расчёты ступеней осевых турбин». М., «Машиностроение», 1964.

9. Дейч М.Е., Шекман А.Г. «К определению оптимальной величины верхней перекрыши обандаженной турбинной ступени». «Теплоэнергетика», 1962, № 1.

10. С.З. Копелев. «Проектирование проточной части турбин авиационных двигателей». М. Машиностроение. 1984.

11. С.З. Копелев., Н.Д. Тихонов. «Расчет турбин авиационных двигателей». М. Машиностроение. 1974.

12. Локай В.И. и др. «Теплопередача в охлаждаемых деталях газотурбинных двигателей летательных аппаратов». М.: Машиностроение, 1985.

13. Почуев В.П., Костеж В.К. «Тепловые свойства корпусов ГТД и пути уменьшения радиальных зазоров». «Труды ЦИАМ № 1139., 1985.»

14. Демьянушко И.В., Биргер И.А. «Расчет на прочность вращающихся дисков». М. Машиностроение, 1978.

15. Швец И.Т., Дыбан Е.П. «Воздушное охлаждение деталей газовых турбин». Издательство «Наукова Думка». Киев, 1974.

16. Хритин А.А. «Система измерения радиальных зазоров в турбомашинах». Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Самара, 1994.

17. Технический отчет ЦИАМ № 10224 «Экспериментальная отработка и внедрение методов измерения радиальных зазоров в ГТД». 1984.

18. Коростелев Ю.А., Макаркина Т.В., Щербаков В.Ф. «Измерение радиального зазора ёмкостными датчиками» в сборнике «Метрологическое обеспечение испытаний авиационных двигателей». М. Труды ЦИАМ, № 1090, 1984 г.

19. Нестеров В.Н. «Измерение радиальных зазоров при стендовых испытаниях полноразмерных двигателей». М: «Авиационная промышленность». № 7. 1984 г.

20. Акимов В.М. «Основы надежности газотурбинных двигателей». М. «Машиностроение», 1981.

21. Лебедев А.В., Асланян Э.В. «Измерительные эндоскопы и обоснование схемы с параллельным пучком света». Труды ЦИАМ № 1244. 1989 г.31. «Эндоскопы с волоконной оптикой фирмы FORT». Технический перевод № 30280. ЦИАМ. 1973.

22. Щербаков В.Ф., Ивченко Д.Ф., Шатогин JI.H., Богатов Э.Я. «Измерение радиальных зазоров и осевого перемещения ротора в турбинах ГТД оптическим методом». М. Труды ЦИАМ№ 1090. 1984 г.

23. Крузор М.Я. и др. «Справочник конструктора оптико-механических приборов». М. «Машиностроение». 1968 г.

24. Богатов Э.Я., Ивченко Д.Ф., Щербаков В.Ф., Шатогин J1.H. «Измерение радиального зазора между концами рабочих лопаток и корпусом лазерно-оптическим методом». «Новые приборы», 1982, № 22 (ЦИАМ).

25. Лебедев А.В., Ивченко Д.Ф., Шатогин Л.Н. «Оптические и некоторые другие приборы диагностики и неразрушающего контроля». «Новые приборы», 1985 № 28., ЦИАМ.

26. Baumbick K.Y. «Волоконная оптика для контроля воздухозаборника и двигателя самолёта». NASA-TM-82654, aug. 1981. Тех. Пер. ЦИАМ № СГ-90602, 1985.

27. Кеба И.В. «Диагностика авиационных газотурбинных двигателей». -М.: «Транспорт». 1980 г.

28. Почуев В.П., Костеж В.К. «К вопросу об уменьшении радиальных зазоров в турбинах ГТД». Сборник статей. Выпуск 4 (1269). ЦИАМ. 1990.

29. Почуев В. П. «Эффективность регулирования радиальных зазоров ГТД». / Обзор № 161. ЦИАМ, 1983.

30. Киржнер Р. А., Мамаев Б. И. «Исследование управления радиальными зазорами в турбине высокотемпературного ТРДД». // Тепловое состояние охлаждаемых деталей высокотемпературных ГТД. Казань, 1984.

31. Лукачев В.П., Данильченко В.П., Резник В.Е. «Выбор параметров и инженерные основы проектирования систем охлаждения элементов турбин авиационных ГТД». Куйбышев, 1983.

32. Дыбан Е.П., Мазур А.И. «Конвективный теплообмен при струйном обтекании тел». Киев.: Издательство «Наукова Думка», 1974.

33. Михеев М.А., Михеева И.М. «Основы теплопередачи». Издание второе, стереотипное. Москва. «Энергия». 1977.52. «Расчетные и экспериментальные методы определения теплового состояния основных узлов газовых турбин с воздушным охлаждением».

34. Том 2. Методы теплового расчета систем воздушного охлаждения газовых турбин. Под ред. Дыбана Е.П., Иващепко М.М., Коздобы JI.A. Ленинград. 1972.

35. Евстигнеев А. А., Почуев В.П. «Обобщение результатов экспериментального исследования теплообмена на внешней поверхности моделей корпусов ТРДД». ЦИАМ НТО инв. № 1595, 1986 г.

36. Почуев В.П., Евстигнеев А.А. «Экспериментальное исследование теплообмена на внешней поверхности моделей корпусов турбин». Труды ЦИАМ № 1092. 1983 г.

37. Чжен П. «Отрывные течения». Т. 2, 3., М.: Мир, 1973.

38. Лужанский Б.Е., Солнцев В.П. «Экспериментальное исследование теплообмена в зонах отрыва турбулентного пограничного слоя пред уступом». ПМТФ, 1971, № 1.

39. Киселёв Л.И., Луценко Ю.Н., «Исследование воздушного охлаждения бандажных полок рабочих лопаток». ЦИАМ, 1982. - (Труды ЦИАМ № 1032).

40. Копелев С.З., Гуров С.В. «Тепловое состояние элементов конструкции авиационных двигателей». М. «Машиностроение», 1978 г.

41. Гавриков И.Ф., Киселёв Л.И., Луценко Л.А., Гвоздкова Л.А., Смирнова А.Г. «Исследование эффективности и теплового состояния элементов высоконагруженных турбин газогенераторов». Технический отчёт ЦИАМ №9364, 1981 г.

42. Д. Эббот, С. Клайн. «Экспериментальное исследование дозвукового турбулентного потока при обтекании одинарных и двойных уступов». «Техническая механика», 1962, т. 84, № 3.

43. Р.А. Себан. «Теплоотдача в турбулентном сорванном потоке воздуха за уступом к поверхности пластины». Теплопередача № 1, 1961.

44. Горелов Г.М., Троянов А.Е. «Течение при внезапном расширении канала». Известия вузов, серия «Авиационная техника» № 3, 1970.

45. Игнатов JI.H., Кауфман В.И., Майорова А.И., Ягодкин В.И. «Усовершенствование методики расчёта турбулентных течений в каналах со срывными зонами и гидродинамический расчёт камер сгорания». Технический отчёт ЦИАМ № 7859, 1976 г.

46. Фидман Б.А. «Результаты измерения турбулентности в равномерном и резко расширяющемся потоках». Известия АН СССР ОТН № 11 1953 г.

47. Костеж В.К., Халтурин В.А. «Комплекс программы расчёта па ЭВМ двумерных нестационарных температурных полей в узлах ГТД методом конечных элементов». Технический отчёт ЦИАМ № 9325, 1981 г.

48. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Ярхо С.А. «Интенсификация теплообмена в каналах». М., «Машиностроение», 1972 г.

49. Илизарова Л.И. «Структура потока за плохообтекаемым телом». «Промышленная аэродинамика», вып. 27, «Машиностроение», 1966 г.

50. Гольдштик М.А., Силантьев Б.А. «О влиянии загромождения канала па движение жидкости в зоне отрыва за плохообтекаемыми телами». Известия АН СССР, ПМФТ, № 1, 1967.

51. Абрамович Г.Н. «Теория турбулентных струй». М. Физматгиз, 1960.72. «Турбулентные сдвиговые течения». Т. 1. М. «Машиностроение». 1982.

52. Шнеэ Я.И., Капинос В.М., Котляр И.В. «Газовые турбины. Часть первая. Термодинамические процессы и теплообмен в конструкциях». Киев. 1976.

53. Шевченко И.В., Черный М.С., Бутонов В.В. «Метод измерения величины радиального зазора турбины на работающем двигателе». М: «Техника воздушного флота». № 6, 2002 г.

54. Бутонов В.В. «Влияние радиального зазора турбины высокого давления на характеристики авиационного двигателя РД1700». Тезисы докладов международной научной конференции «Авиация и космонавтика 2003». -Москва: МАИ, 2003 г.

55. Бутонов В.В., Чёрный М.С., Шевченко И.В. «Расчётное обоснование способов регулирования радиального зазора на турбине высокого давления двигателя РД1700». Москва: Труды МАТИ. Выпуск. 2003 г., 168-173 с.

56. Бутонов В.В. «Методика регулирования радиального зазора турбины ГТД с использованием «идеальной» температуры силовой части статора». Тезисы докладов международной молодёжной научной конференции «XXIX Гагаринские чтения». Москва: МАТИ, 2003 г.

57. Черкез А.Я. «Инженерные расчёты газотурбинных двигателей методом малых отклонений». М., «Машиностроение», 1975 г.