Влияние нестационарных явлений на температурные напряжения и ресурс охлаждаемых лопаток турбин ГТД тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат технических наук Чернова, Татьяна Александровна

• Чернова, Татьяна Александровна
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Чернова, Татьяна Александровна

1. Введение

2. Анализ состояния исследований по теме диссертации

2.1. Охлаждение лопаток турбины: конструкция, режимы и условия работы

2.2. Методы и результаты исследования температурных напряжений и разрушения охлаждаемых лопаток

2.3. Выводы по главе. Задачи исследования

3. Нестационарные явления теплообмена в охлаждаемых лопатках турбин

3.1. Нестационарные газодинамические процессы в турбомашинах

3.2. Влияние турбулентности потока на теплообмен на наружной поверхности лопатки

3.3. Влияние нестационарного статор-ротор взаимодействия на эффективность пленочного охлаждения

3.4. Оценка коэффициентов теплоотдачи в областях, имеющих трёхмерные особенности обтекания. Определение температурной функции на лопатке.

3.5. Моделирование теплоотдачи во внутренних полостях

3.6. Выводы по главе

4. Моделирование нестационарных тепловых полей и температурных напряжений. Оценка ресурса лопатки турбины

4.1. Методика конечно-элементного анализа нестационарных тепловых полей и температурных напряжений.

4.2. Нестационарное поле температур.

4.3. Нестационарное поле температурных напряжений. Оценка циклического ресурса лопатки

4.4. Подтверждение достоверности результатов. Сравнение результатов расчётов с экспериментальными и эксплуатационными данными

4.5. Приближенная оценка температурных напряжений

4.6. Анализ влияния условий работы лопатки на температурные напряжения

4.7. Выводы по главе

5. Применение результатов исследования при проектировании двигателя

5.1. Методика оценки температурных напряжений и циклического ресурса охлаждаемых лопаток турбины

5.2. Применение разработанной методики при проектировании лопатки перспективного двигателя

5.3. Выводы по главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние нестационарных явлений на температурные напряжения и ресурс охлаждаемых лопаток турбин ГТД»

Достижение конкурентоспособности авиастроения на глобальных рынках является важнейшим шагом в интересах перехода к несырьевой модели экономического роста. В среднесрочный период авиапромышленность, как одна из ведущих отраслей, станет в авангарде инновационного развития российской экономики.

В настоящее время газотурбинные двигатели являются очень востребованной продукцией, спектр применения которой велик. Современные двигатели используются в различных областях хозяйственной деятельности человечества: это и транспортировка природного газа, и электроэнергетические установки, однако, в первую очередь - это гражданская и военная авиация.

Самым современным отечественным двигателем, используемым в гражданской авиации, является двигатель ПС-90А. Благодаря высоким удельным характеристикам он успешно эксплуатируется на магистральных самолетах Ил-96-300 и Ту-204, в ближайшее время планируется его установка на самолеты Ту-214 и Ил-76. Разработаны и выпускаются серийно модификации этого двигателя для наземных энергетических установок и газоперекачивающих станций. В 2003 году на двигателях ПС-90А, эксплуатирующихся на самолетах Ил-96-300 и Ту-204, произошло 4 случая выключения двигателя в полете по конструктивно-производственным недостаткам [57]: 3 случая - на Ил-96-300, 1 случай - на Ту-204. Наработка на выключение в полете составила 35576 часов при норме 32000 часов, наработка на досрочный съем двигателя 3950 часов при норме 4300 часов. По-прежнему остается высоким количество случаев досрочного съема двигателей - 36 за год.

Для обеспечения конкурентоспособности двигателей одними из важнейших требований становятся увеличение надёжности и топливной экономичности. Эти требования противоречивы, так как увеличение топливной экономичности и необходимое для этого увеличение температуры газа перед турбиной неизбежно снижают надёжность из-за ухудшения прочностных свойств материалов деталей. Сосредоточенность на максимизации полезности по одному из этих требований ведёт к минимизации полезности другого. Однако оба этих требования одинаково важны и требуют взаимной увязки.

Тенденция развития современных конкурентоспособных газотурбинных двигателей такова, что с каждым новым поколением двигателей, температура газа перед турбиной увеличивается. Для того чтобы детали турбины, в частности лопатки, выдерживали высокие температурные нагрузки, разрабатываются жаропрочные и жаростойкие сплавы, а также различные конструктивные схемы охлаждения. Для снижения температуры металла лопатки в основном используется комбинация двух типов воздушного охлаждения: конвективного и плёночного.

Надо сказать, что охлаждением лопаток турбин, в том числе и плёночным, стали заниматься с момента появления первого газотурбинного двигателя. Так на двигателе ЮМ0004 (1943-1945 г.) лопатки статора первой ступени турбины имели плёночное охлаждение.

Вследствие использования воздушного охлаждения для увеличения ресурса деталей турбины возникают зоны с большими температурными градиентами (на наружную поверхность набегает горячий поток газа, а по внутренней полости течёт холодный воздух). Это влечёт за собой появление больших температурных напряжений, которые в совокупности с напряжениями от газодинамических и центробежных сил, а так же с наличием многочисленных концентраторов напряжений в виде штырьков, отверстий, ребер и т.д. могут приводить к появлению трещин в охлаждаемых лопатках турбин.

Исключение связанных с термоусталостью дефектов охлаждаемых лопаток турбин является важнейшей задачей обеспечения надежности двигателей. Термоусталостные трещины возникали, в частности, в рабочих лопатках первой ступени турбины высокого давления двигателя ПС-90А.

Решение проблемы обеспечения ресурса лопаток турбины требует на стадии проектирования детального анализа полей температур и температурных напряжений с помощью трехмерных математических моделей. Несмотря на наличие современных средств моделирования, такой анализ остается сложной задачей, его методика разработана недостаточно.

Мало изучены и обычно не учитываются в практике проектирования лопаток эффекты, обусловленные нестационарным характером процессов теплообмена. Их можно разделить на две группы.

К первой группе относятся эффекты, обусловленные нестационарным теплообменом на переходных режимах работы двигателя, на которых следует ожидать наиболее высоких градиентов температур.

Ко второй группе можно отнести эффекты, связанные с нестационарным характером газового потока в межлопаточном канале. Речь идет о колебаниях скоростей, температур и давлений, обусловленных нестационарным газодинамическим статор-ротор взаимодействием. Несмотря на высокие частоты, эти колебания существенным образом изменяют условия теплообмена газа с лопаткой вследствие нелинейности процессов теплообмена.

Целью проводимого исследования, направленного на повышение надежности охлаждаемых лопаток турбин, является разработка уточненной методики расчета теплового и термонапряженного состояния охлаждаемых лопаток турбины, учитывающей нестационарные газодинамические и тепловые эффекты процессов теплообмена.

В результате проведённого исследования, был разработан инженерный аппарат, дающий возможность определить ресурс рабочей лопатки турбины с учётом нестационарности процессов теплообмена.

Научная новизна выполненного в диссертации исследования состоит в следующем:

1. Впервые проведено подтвержденное экспериментом комплексное исследование нестационарного теплового и напряжённого состояния охлаждаемых лопаток газовых турбин с выходом на оценку циклической долговечности.

2. В результате проведённого исследования установлено, что для повышения точности граничных условий по теплообмену необходимо учитывать совместное действие следующих факторов: эффективной турбулентности, нестационарного статор-ротор взаимодействия, теплообмена в зонах с трехмерными особенностями течения, спецификой температурной функции на лопатке.

3. Получены количественные оценки влияния:

• нестационарного статор-ротор взаимодействия на эффективность пленочного охлаждения;

• нестационарных эффектов на переходных режимах работы двигателя на увеличение температурных напряжений в зависимости от конструктивных и эксплуатационных факторов;

• эффективной турбулентности потока на коэффициент теплоотдачи от газа к лопатке;

4. Предложен коэффициент, отражающий вклад нестационарного теплообмена на переходных режимах работы двигателя и приближенная методика его определения;

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Разработан инженерный инструмент оценки долговечности охлаждаемых рабочих лопаток турбины высокого давления, предназначенный для использования при выборе конструкции лопатки и схемы охлаждения на стадии проектирования двигателя;

2. Разработанная методика оценки долговечности позволила объяснить причину появления трещин термоусталости в рабочей лопатке турбины высокого давления двигателя ПС-90А

3. Показана возможность повышения эффективности плёночного охлаждения лопаток турбины двигателя ПС-90А и перспективного двигателя ПС-12;

Достоверность результатов обеспечивается использованием апробированных методов исследования, подтверждается удовлетворительным согласованием температурных полей и циклической долговечности лопатки первой ступени турбины двигателя ПС-90А с экспериментальными и эксплутационными данными.

Основные положения и результаты разработанной методики докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях: Аэрокосмическая техника и высокие технологии (АКТ) - 2001, АКТ - 2002, АКТ - 2003, АКТ - 2004, АКТ - 2005 (ПГТУ, г.Пермь); «Газотурбинные и комбинированные установки», 2004 (МГТУ, г. Москва); «Проблемы создания перспективных авиационных двигателей»: 2005 (ЦИАМ, г.Москва). По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Заключение диссертации по теме «Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов», Чернова, Татьяна Александровна

5.3. Выводы по главе

1. На основании результатов, полученных в предыдущих разделах диссертационной работы, разработана методика определения долговечности охлаждаемых лопаток турбин, позволяющая учитывать одновременно совокупность определяющих тепловое состояние лопатки факторов, в том числе и нестационарность теплообмена лопатки с газовым потоком.

2. Методика использована для оценки эффективности пленочного охлаждения рабочей лопатки первой ступени турбины высокого давления перспективного двигателя. Установлено, что в исходном варианте конструкции лопатки перспективного двигателя эффективность пленочного охлаждения 0 не превышает 3.4 %. Изменением угла выдува, диаметра и шага отверстий, а также подбором давления охлаждающего воздуха удается добиться повышения эффективности пленочного охлаждения на корыте профиля до 6.12%, на спинке - до 10 . 18%. Дальнейшее увеличение эффективности пленочного охлаждения возможно за счет снижения эффектов нестационарного статор-ротор взаимодействия, например путем увеличения осевого зазора между лопатками соплового аппарата и рабочего колеса.

3. Результаты диссертационной работы включены в отчеты по хоздоговорным исследовательским работам, выполненным по договорам с ОАО «Авиадвигатель» (Пермь) и используются в ОАО «Авиадвигатель» при разработке охлаждаемых лопаток турбин.

152

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведено комплексное исследование нестационарного теплового и термонапряжённого состояния охлаждаемой лопатки турбины с выходом на оценку долговечности с учетом факторов, которые ранее рассматривались либо независимо друг от друга, либо вообще не учитывались.

2. Установлено, что для повышения точности описания граничных условий необходимо учитывать эффективную турбулентность, уменьшение эффективности плёночного охлаждения вследствие нестационарного статор-ротор взаимодействия, особенности теплообмена в зонах с существенной трехмерностью газового потока, особенности температурной функции на лопатке.

3. Проанализировано влияние эффективной турбулентности на интенсивность теплоотдачи лопатки турбины с внешним газовым потоком. На примере рабочей лопатки первой ступени турбины высокого давления двигателя ПС-90А показано, что на спинке коэффициент теплоотдачи за счёт влияния эффективной турбулентности увеличивается до 40%.

4. Показано, что эффективность пленочного охлаждения вследствие нестационарного статор-ротор взаимодействия может оказаться в 3 раза ниже, чем в стационарном потоке.

5. Проведен нестационарный трехмерный расчет теплового и напряженного состояния типичной охлаждаемой лопатки турбины. Получены количественные оценки влияния нестационарных эффектов на напряженное состояние и ресурс лопатки, показана необходимость учета этих эффектов в расчетах на стадии проектирования лопаток.

6. Разработана приближенная модель оценки ресурса охлаждаемых лопаток турбины с учетом нестационарных эффектов на переходных режимах работы двигателя. Предложен параметр, позволяющий оценить влияние конструктивных и эксплуатационных факторов на нестационарные температурные напряжения.

7. Достоверность расчётных результатов подтверждается экспериментальными данными по термометрированию рабочих лопаток первой ступени турбины двигателя ПС-90А и эксплуатационными данными по циклической долговечности лопаток.

8. Предложенная в диссертационной работе методика использована для расчёта напряженного состояния и ресурса рабочей лопатки первой ступени турбины двигателя ПС-90А, а также для оптимизации плёночного охлаждения лопатки перспективного двигателя. Расчетным путем удалось смоделировать эксплуатационный дефект в лопатке турбины двигателя ПС-90А, что не удавалось сделать с использованием традиционных методик.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Чернова, Татьяна Александровна, 2006 год

1. Августинович В.Г. Нестационарные явления в турбомашинах. / Августинович В.Г., Иноземцев A.A., Шмотин Ю.Н., Сипатов A.M., Румянцев Д.Б. под ред. Августиновича В.Г. // Екатеринбург, 1999. - 280с.

2. Августинович В.Г. Численное моделирование нестационарных явлений в турбомашинах. / Августинович В.Г., Шмотин Ю.Н., Сипатов A.M., Румянцев Д.Б. и др. под ред. Августиновича В.Г., Шмотина Ю.Н. II М.: Машиностроение, 2005 г. - 536с.

3. Авдуевский B.C. Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике. / Авдуевский B.C., Галицейский Б.М., Глебов Г.А., и др. под ред. Кошкина В.К. // Москва, 1975г. - 624 с.

4. Андерсон В. Вычислительная гидромеханика и теплообмен. / Андерсон В., Таннехиллб Дж., Плеттер Р. // в 2-х томах, М.: Мир. 1990. -728с.

5. Биргер И.А. Расчёт на прочность авиационных газотурбинных двигателей. / Биргер И.А., Даревский В.М., Демьянушко И.В. и др. под общ. ред. И.А. Биргера и Н.И. Котерова. // М.: Машиностроение, 1981. - 294с.

6. Братухин А.Г. Основы технологии создания газотурбинных двигателей для магистральных самолетов. / Братухин А.Г, Решетников Ю.Е., Иноземцев A.A., и др. под ред. Братухина А.Г, Решетникова Ю.Е., Иноземцева A.A. // М.: Авиатехинформ, 1999. - 554 с.

7. Вулканович М.П. Термодинамика. / Вулканович М.П., Новиков И.И. // М.: Машиностроение, 1984. - 200 с.

8. Дейч М.Е. Техническая газодинамика. Москва, 1974г. - 592 с.

9. Добрянский Г.В. Динамика авиационных ГТД. / Добрянский Г.В., Мартьянова Т.С. II М.: Машиностроение, 1989. - 240 с.

10. Жирицкий Г.С. Газовые турбины авиационных двигателей. / Жирицкий Г.С., Локай В.И. Максутова М.К., Стрункин В.А. под. ред. Жирицкого Г.С. // М.: Оборонгиз, 1963г. - 608с.

11. П.Иванов В.Л. Теплообменные аппараты и системы охлаждения газотурбинных и комбинированных установок. / Иванов В.Л., А.И. Леонтьев, Э.А. Манушин, М.И. Осипов // М.: Машиностроение, 1984г. - 384 с.

12. Калиткин H.H. Численные методы. М.: Наука, 1978.

13. Костюк А.Г. Динамика и прочность турбомашин. М.: машиностроение, 1982.-264.

14. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. / Корн Г., Корн Т. // М.: Наука, 1970. - 720 с.

15. Курант Р. Курс дифференциального и интегрального исчисления. М.: Наука, 1967,4.1.-704 с.

16. Кутателадзе С.С. Справочник по теплопередаче. / Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. // 1959г

17. Кутателадзе С.С. Аэродинамика и тепломассообмен в ограниченных вихревых течениях. / Кутателадзе С.С., Волчков Е.П., Терехов В.И. // -Новосибирск: Институт термофизики Сиб. Отд. РАН, 1987.

18. Локай В.И. Газовые турбины двигателей летательных аппаратов. / Локай В.И., Максутова М.К., Стрункин В.А. // М.: Машиностроение, 1991г. -512 с.

19. Лойцянский Л.Г.Механика жидкостей и газа. М.: Наука, 1978г.736с.

20. Муратов Р.Х. Многокритериальное оптимальное проектирование основных деталей роторов ГТД с учётом ожидаемых условий эксплуатации. /Диссертация. Пермь: ОАО «Авиадвигатель», 2004. - 145с.

21. Мэнсон С. Температурные напряжения и малоцикловая усталость. -М.: Машиностроение, 1974. 344с.

22. Нихамкин М.А. Конструкция основных узлов двигателя ПС-90А / Нихамкин М.А., Зальцман М.М. // Пермь, 2002. - 111 с.

23. Петухов А.Н. Сопротивление усталости деталей ГТД. М.: Машиностроение, 1993.-232 с.

24. Пискунов Н.С. Дифференциальные и интегральные исчисления Т. 2. -М.: Физматгиз, 1978. 576 с.

25. Репецкий О.В. Компьютерный анализ динамики и прочности турбомашин. Иркутск: ИГТУ, 1999. - 3000с.

26. Самойлович Г.С. Нестационарное обтекание и аэроупругие колебания решёток турбомашин. М.: Наука, 1969. - 444 с.

27. Скибин В.А. Научный вклад в создание авиационных двигателей. / Скибин В.А., Солонин В.И, Горбатко A.A., Гусев В.М., и др. под. ред. Скибина В.А., Солонина В.И. // М.: Машиностроение, 2000г. - 725с.

28. Себиси Т. Конвективный теплообмен. / Себиси Т., Бредшоу П. // М.: Мир, 1987. - 592с.

29. Соколовский Г. А. Нестационарные трансзвуковые и вязкие течения в турбомашинах. / Соколовский Г. А., Гнесин В. И. // Киев: Наукова думка, 1986.-260 с.

30. Тимошенко С.П. Теория упругости./ Тимошенко С.П., Гудьер Дж. // -М: Наука 1975 г. 576с.

31. Третьяченко Г.Н. Моделирование при изучении прочности конструкций. Киев, 1979г. - 232с.

32. Фрик П. Г. Турбулентность: подходы и модели. Москва/Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2003. - 292 с.

33. Шлихтинг. Г. М. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974.711с.

34. Шлихтинг. Г. М. Возникновение турбулентности. М.: Ин. Лит., 1962.203 с.

35. Вансант И. Конвективный теплообмен при турбулентном течении в дозвуковых диффузорах. / Вансант И., Ларсон М. // Аэродинамическая техника, 1987. №4. - С. 25-32.

36. Степанов Г.Ю. Нестационарные течения в турбомашинах: Сб. статей под ред. Степанова Г.Ю. М.: Мир, 1979. - 344 с.

37. Чернов Г.В. Оценка температурных напряжений в охлаждаемой рабочей лопатке турбины на нестационарных режимах / Чернов Г.В., Чернова Т.А. // Тезисы докладов 10-й Всероссийской конференции молодых учёных. -Пермь: ПГТУ, 2001. С.81.

38. Чернова Т.А. Исследование нестационарных полей температур в охлаждаемой лопатке турбины / Чернова Т.А., Чернов Г.В. // Сборник научных трудов «Молодёжная наука Прикамья», выпуск 2. Пермь: ПГТУ, 2002. - С. 11-16.

39. Mayle R.E. The Turbulence That Matters. Текст. / R.E. Mayle, K. Dullenkopf, A. Schulz // Proceedings of ASME Turbo Expo 2002, June 3-6, 2002, Amsterdam, The Netherlands.

40. Hermanson K. Predictions of external heat transfer for turbine vanes and blades with secondary flowfields. Текст. / К. Hermanson. S. Kern, G. Picker, S.

41. Parneix // Proceedings of : ASME TURBO EXPO 2002. 3-6 June 2002, Amsterdam, GT-2002-30301.

42. Prasad D. A numerical study of secondary flow in axial turbines with application to radial transport of hot streaks. Текст. / Dilip Prasad, Gavin J. Hendricks // Proceedings of 33-rd Joint Propulsion Conf. AIAA 97-3011, 1997. P.ll.

43. Wan E. S. Combustion turbine F-class life management of Is7 stage turbine blades». Текст. / Wan E. S. John Scheibel, Paul Crimi, R. Viswanathan // Proceedings of: ASME TURBO EXPO 2002. 3-6 June 2002, Amsterdam, GT-2002-30301.

44. Abu-Ghanam B. Natural Transition of Boundary Layers The Effects of Turbulence, Pressure Gradient and Flow History Текст. / Abu-Ghanam В., Shaw R., J. // ofMech. Eng. Science, Vol. 22, pp. 213-228.

45. Сертификат Cp 1.2.029-84. Сплав ЖС26 высокоскоростной направленной кристаллизации.

46. Заключение №35837 ОАО «АВИАДВИГАТЕЛЬ» 1997 г.

47. Заключение № 98-431.ОАО «АВИАДВИГАТЕЛЬ». 1995г.

48. Техническая справка № 33640. ОАО «Авиадвигатель». 1999г.