Зменшення радіальної нерівномірності температурних полів у дисках роторів ГТД дискобарабанної конструкції

Результати розрахунків за залежностями (2), (3) зіставлені з наявним в літературі результатами термометріровання і чисельного моделювання температурних полів дисків компресора високого тиску реального авіадвигуна. Характер розподілу температур по радіусу дисків співпадає, при цьому розбіжність значень температур не перевищує 2%.

Одержані залежності, що враховують ступінь екранування диска і швидкість ежектуючого повітря, дозволяють на стадії проектування вибрати параметри, що забезпечують прийнятний за умовами міцності розподіл температури по радіусу диска.

У п'ятому розділі виконані розрахунки температурних напружень у неекранованих і екранованих дисках з ежекторними каналами. Обґрунтовано можливість використання ежекторних пристроїв для поліпшення міцнісних характеристик дисків. На рис.10 показані температурні напруги, розраховані для отриманого за результатами експерименту температурного стану диску з ежекторними пристроями.

а б

Рис.10. Температурні напруження:

а -- радіальні; б -- тангенціальні;

-- диск і проставочні кільця екрановані повністю;

-- диск без екрана і ежекторних каналів; -- екранована маточина і полотно диску, на периферії екрану наявний ряд отворів;

-- екранована маточина і 2/3 полотна диску.

Спостерігається істотне зниження радіальних температурних напружень у зоні переходу від полотнини до конічної частини маточини для екранованих дисків (рис.10, а), що пояснюється інтенсивним розігрівом маточини в порівнянні з неекранованим диском. Екранування забезпечує істотне зниження тангенціальних напружень у циліндричній частині маточини в порівнянні з неекранованим диском, на мінімальному радіусі тангенціальні напруги в екранованому диску знижені в 2,5 рази (рис.10,б). Незначне перевищення тангенціальних напружень на периферії екранованого диска пояснюється більш інтенсивним охолодженням периферії у випадку екранування.

Виконане зіставлення тангенціальних напружень у зоні маточини екранованого і неекранованого дисків в режимах прогріву й охолодження показало, що величина напружень у маточинній частині екранованого диска істотно менше у всьому діапазоні режимів прогріву й охолодження, що підтверджує ефективність роботи ежекторних пристроїв на перехідних режимах роботи двигуна.

Розрахунки запасу міцності виконані для диска ступеня ротора з температурою повітря в проточній частині tmax = 570 °C; температурою охолоджуючого повітря під маточиною tв = 270 °C; частотою обертання n =10 000 хв-1 і витратою осьового потоку охолоджуючого повітря = 3,5 кг/с. Результати розрахунків показали, що екранування в даному випадку дозволяє збільшити запас міцності в маточинній частині диска на 11% у порівнянні з неекранованим. При зменшенні запасу міцності екранованого диска до величини запасу міцності неекранованого маса екранованого диска може бути зменшена. У цьому випадку екранування не приводить до збільшення маси диска.

ВИСНОВКИ

1. Підвищення параметрів циклу в цілях подальшого вдосконалення ГТД вимагає створення ефективних систем охолоджування, що забезпечують температурний стан, необхідний за умовами міцності елементів ротора. При існуючих системах охолоджування роторів дискобарабанної конструкції перепади температур по радіусу диска можуть складати більше 350 К, унаслідок чого в дисках виникають температурні напруги, які в значній мірі впливають на напружений стан ротора. Тому зменшення радіальної нерівномірності температурних полів дисків роторів ГТД є актуальною задачею, з метою рішення якої були розроблені конструкції пристроїв, принцип дії яких заснований на використанні динамічного натиску осьового потоку повітря, що відбирається на охолоджування ротора.

2. Експериментально встановлено, що ефективно зменшують перепад температури по радіусу диска ротора пристрої, принцип дії яких заснований на ежекції з порожнини ротора гарячого шару, який формується на поверхні проставочних кілець і диска, що сприяє розігріванню маточинної частини диска. Найменший перепад температури встановлюється при екрануванні диска і проставочних кілець. Пристрої, конструкція яких передбачає зміну напряму частини осьового потоку охолоджуючого повітря від осі ротора до периферії порожнини, слабо впливає на зменшення радіальної нерівномірності температури диска, оскільки динамічного натиску охолоджуючого повітря недостатньо, щоб впливати на циркуляцію, яка встановилася в порожнині під дією різниці щільності повітря в полі масових сил. Працездатність ежекторних каналів при величині окружних і осьових чисел Рейнольдса, характерних для реальних ГТД, підтверджена візуальними експериментальними дослідженнями.

3. Експериментальні дослідження узагальнені числами подібності і безрозмірними комплексами, що дозволяють розрахувати розподіл температури по радіусу екранованих і неекранованих дисків. Уточнено залежності для розрахунку температури дисків роторів з осьовим плином охолоджуючого повітря; вперше отримана залежність для розрахунку температури по радіусу екранованих дисків з ежекторними пристроями. Встановлено вплив окружного і осьового чисел Рейнольдса, відносного перепаду температур по радіусу диска і ступеня екранування на характер розподілу температури по радіусу екранованого диска з ежекторними каналами.

4. Обґрунтовано можливість зменшення температурних напруг в дисках ротора за допомогою застосування пристроїв з ежекторними каналами. Показано, що збільшення запасу міцності в маточині диска при використанні розроблених пристроїв з екрануванням і ежекторними каналами досягає 11% в порівнянні з неекранованими дисками ротора. При підвищених вимогах до масогабаритних показників можливо зниження маси екранованого диска в порівнянні з неекранованим при рівних запасах міцності.

5. Результати дослідження впроваджено в науково-виробничому комплексі газотурбобудування «Зоря-Машпроект» (м. Миколаїв, Україна), в науково-дослідній лабораторії перспективних двигунів НТУ «ХПІ» (м. Харків, Україна), науково-виробничому об'єднанні «Сатурн» (м. Рибінськ, РФ) і мають практичне застосування. На основі досліджених варіантів охолоджуючих пристроїв розроблено нові конструкції роторів перспективних ГТД, захищені трьома патентами України.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Салов Н.Н. Интенсификация теплообмена в полостях роторов ГТД / Н.Н. Салов, В.М. Бубенцов, Н.Н. Федаренко, А.А. Харченко // Авiацiйно-космiчна технiка i технологiя. - 2001. - Вып.26. - С.142 - 143.

Здобувачем отримано експериментальні дані з профілів температури дисків з екрануванням і ежекторними каналами.

2. Салов Н.Н. Проблемы уменьшения температурных напряжений в дисках газотурбинных двигателей / Н.Н. Салов, А.А. Харченко // Новые технологии в машиноприборостроении и на транспорте: матер. междунар. научн.-техн. конф. -- Севастополь, 10-14 сент. 2001 г. - Севастополь, 2001. - С.317-319.

Здобувачем визначено вплив довжини циліндричних каналів і площі екранування на ефективність ежекторних пристроїв.

3. Салов Н.Н. К расчету теплоотдачи дисков осевых компрессоров ГТД / Н.Н. Салов, В.А. Бенжицкий, А.А. Харченко // Авiацiйно-космiчна технiка i технологiя. - 2002. - Вып.30. - С.161.

Здобувачем досліджено вплив витрати охолоджуючого повітря на температурний стан дисків.

4. Салов Н.Н. К уменьшению температурных напряжений в дисках роторов осевых компрессоров ГТД / Н.Н. Салов, В.А. Бенжицкий, А.А. Харченко // Труды третьей российской национальной конференции по теплообмену. Москва, 21-25 октября 2002 г. - Т. 7. Теплопроводность, теплоизоляция. --М.: Изд-во МЭИ, 2002. - С.251-253.

Здобувачем досліджено вплив типу охолоджуючих пристроїв різної конструкції на температурний стан охолоджуваних дисків.

5. Салов Н.Н. Расчет температурных полей дисков роторов осевых компрессоров / Н.Н. Салов, А.А. Харченко, Г.В. Горобец // Вестник двигателестроения. - 2003. - №1. - С. 85-86.

Здобувачем уточнено значення коефіцієнтів для розрахункових залежностей.

6. Салов Н.Н. Расчет граничных условий теплообмена дисков осевых компрессоров ГТД / Н.Н. Салов, Н.Н. Бубенцов, Г.В. Горобец, А.А. Харченко // Вестник двигателестроения. - 2004. - №2. - С.113-115.

Здобувачем отримано розрахункові залежності для визначення профілю температур.

7. Харченко А.А. К управлению температурным состоянием дисков роторов осевых компрессоров ГТД / А.А. Харченко // Авиационно-космическая техника и технология. - 2005. - №10. - С.170-172.

8. Горобец Г.В. Исследование работоспособности устройств для уменьшения температурных напряжений в дисках ГТД / Г.В. Горобец, А.А. Харченко // матер. междунар. науч.-техн. конф. Энергомашиностроение - 2006, Севастополь, 17-20 мая 2006 г. -- Севастополь, - 2006. - С. 28.

Здобувачем отримано розрахункові залежності, що установлюють взаємозв'язок між параметрами екранування і температурним станом диска.

9. Салов Н.Н. Исследование температурного состояния экранированных роторов ГТД с эжекторными устройствами / Н.Н. Салов, А.А. Харченко, Г.В. Горобец, В.М. Бубенцов // Авиационно-космическая техника и технология. - 2006. - №8. - С.117-120.

Здобувачем визначено вплив величини гідравлічного опору осьового каналу екранованого диска з ежекторними каналами і площі екранування на профіль температури по радіусу диска.

10. Салов Н.Н. Исследование термонапряженного состояния экранированных дисков роторов ГТД с эжекторными каналами / Н.Н. Салов, А.А. Харченко, Г.В. Горобец // Вестник двигателестроения. - 2007. - №3. - С.123-126.

Здобувачем виконано аналіз термонапруженого стану дисків.

11. Пат. №77163 Україна, МПК F02C 7/12. Ротор турбомашини з комбінованим прокачуванням повітря / М.М. Салов, А.О. Харченко; заявник та патентовласник Севастопольський національний технічний університет. -- № 2003043991; Заяв. 30.04.2003; Опубл. 15.11.2006, Бюл. №11.

Здобувачем запропоновано конструкцію ежекторного каналу.

12. Пат. №77949 Україна, МПК F02C 7/12, F01D 5/02. Екранований ротор турбомашини з осьовим прокачуванням повітря / М.М. Салов, А.О. Харченко, Г.В. Горобець; заявник та патентовласник Севастопольський національний технічний університет. -- № 2003044016; заявл. 30.04.2003; опубл. 15.02.2007, Бюл. №2.

Здобувачем запропоновано розміщення отворів для охолоджуючого повітря на периферії екрана.

13. Пат. №78219 Україна, МПК F02C 7/12 Екранований ротор турбомашини з автоматичним регулюванням теплообміну / М.М. Салов, В.Ф. Худяков, А.О. Харченко; заявник та патентовласник Севастопольський національний технічний університет. -- №2004031621; заявл. 05.03.2004; опубл. 15.03.2007, Бюл. №3.

Здобувачем розроблено конструкцію ежекторних каналів з термочутливими елементами.

АНОТАЦІЯ

Харченко А.О. Зменшення радіальної нерівномірності температурних полів у дисках роторів ГТД дискобарабанної конструкції|. -- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.03 -- двигуни та енергетичні установки. Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», Харкiв, 2008.

Дисертація присвячена вирішенню задачі зменшення радіальної нерівномірності температурних полів у дисках роторів ГТД дискобарабанної конструкції за допомогою застосування пристроїв, що використовують динамічний напір осьового потоку повітря, що відбирається на охолоджування двигуна.

На основі виконаних експериментальних досліджень виявлено, що найбільш ефективне зменшення нерівномірності температури за радіусом диска забезпечується при екрануванні диска з ежекторними каналами. На основі експериментальних даних одержані формули для розрахунку розподілу температури за радіусом екранованого і неекранованого дисків. Обґрунтовано можливість зменшення температурних напружень дисків роторів за допомогою застосування пристроїв з ежекторними каналами, що дозволяє збільшити запас міцності диска. При підвищених вимогах до масогабаритних показників маса диска може бути зменшена в порівнянні з неекранованим при рівних запасах міцності.

Ключові слова: газотурбінні двигуни, диски роторів, температурний і напружений стан, ежекторні пристрої.

АННОТАЦИЯ

Харченко А.А. Уменьшение радиальной неравномерности температурных полей в дисках роторов ГТД дискобарабанной конструкции. -- Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.03 -- двигатели и энергетические установки. Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт», Харьков, 2008.

Диссертация посвящена решению задачи уменьшения радиальной неравномерности температурных полей в дисках роторов ГТД дискобарабанной конструкции посредством применения устройств, использующих динамический напор осевого потока воздуха, отбираемого на охлаждение двигателя.

Увеличение температуры газа перед турбиной наряду с увеличением степени повышения давления воздуха в компрессоре является основным направлением совершенствования ГТД. Проведенный информационный обзор показал, что способы, применяемые в настоящее время для охлаждения дисков роторов ГТД, не лишены недостатков, так как не обеспечивают уменьшения перепада температур по радиусу дисков ротора. Это вызывает в дисках роторов осевых компрессоров и в дисках каскада турбин высокого давления термические напряжения, которые в значительной мере определяют их напряженное состояние. В связи с этим при проектировании высокотемпературных двигателей актуальным является уменьшение перепада температуры по радиусу диска для снижения температурных напряжений на стационарных и переходных режимах работы.

С целью уменьшения радиальной неравномерности температурного поля диска были спроектированы два типа устройств, использующих динамический напор осевого потока охлаждающего воздуха для воздействия на циркуляцию воздуха в междисковых полостях ротора. Экспериментальные исследования температурного состояния дисков, оснащенных различными вариантами разработанных устройств проводились на экспериментальной установке, рабочий участок которой представлял собой пятиступенчатый ротор дискобарабанной конструкции с электронагревателем, расположенным на боковой поверхности барабана. Охлаждающий воздух от высоконапорной воздуходувки через воздухоподводящее устройство прокачивался вдоль оси ротора рабочего участка через кольцевые зазоры между ступицами дисков ротора и центральным валом и удалялся через отверстия в валу ротора. Термометрирование дисков осуществлялось хромель-алюмелевыми термопарами, выведенными через ртутный токосъемник на аналого-цифровой многоканальный преобразователь, подключенный к ЭВМ.

В результате исследования температурного состояния дисков выявлено, что применение устройств, конструкция которых предусматривает изменение направления части осевого потока охлаждающего воздуха от центра к периферии полости, нецелесообразно, так как динамического напора воздуха, направляемого устройством в полость ротора, недостаточно, чтобы воздействовать на циркуляцию, которая установилась в полости под действием разности плотностей воздуха в поле массовых сил. Установлено, что эффективно воздействуют на циркуляцию воздуха в полости ротора устройства, принцип действия которых основан на эжекции из полости ротора горячего слоя, который формируется на поверхности проставочных колец и диска, что способствует разогреву ступичной части диска. Наиболее эффективное уменьшение неравномерности температуры по радиусу диска обеспечивается при экранировании диска и размещении под его ступицей эжекторных каналов. Эжектор представлял собой выступ трапециевидной формы на поверхности экрана со стороны торца ступицы. В конце расширяющегося выступа имелось отверстие. При обтекании эжектора оторвавшийся пограничный слой оттесняет потенциальное течение, в результате давление за срезом канала понижается, что приводит к эжектированию воздуха, находящегося между экраном и диском. Воздух, прокачиваемый таким образом вдоль поверхности диска к оси вращения ротора, переносит теплоту от периферии диска к его ступице, что снижает перепад температуры по радиусу диска.

Исследовано температурное состояние дисков, оснащенных описанными устройствами, при различных частотах вращения ротора, плотностях теплового потока, расходах охлаждающего воздуха. Работоспособность эжекторных каналов при величине окружных и осевых чисел Рейнольдса, характерных для реальных ГТД, подтверждена визуальными экспериментальными исследованиями. По результатам обобщения экспериментальных данных уточнены зависимости для расчета температуры дисков роторов с осевым течением охлаждающего воздуха, впервые получены безразмерные зависимости для расчета распределения температуры по радиусу экранированных дисков с эжекторными устройствами. Найденные расчетные зависимости, содержащие числа подобия и безразмерные множители, учитывают режимные и конструктивные параметры, определяющие температурное состояние дисков во вращающихся полостях.

Расчетные примеры подтверждают возможность уменьшения температурных напряжений в дисках роторов за счет снижения радиальной неравномерности температур посредством применения устройств с эжекторными каналами, что позволяет увеличить запас прочности диска в опасных сечениях. При повышенных требованиях к массогабаритным показателям масса диска может быть уменьшена по сравнению с неэкранированным при равных запасах прочности.

Ключевые слова: газотурбинные двигатели, диски роторов, температурное и напряженное состояние, эжекторные устройства.

ABSTRACT

Kharchenko A.A. Reducing of radial nonuniformity of the temperature fields in the disk-drum GTE rotor disks. -- The manuscript.

The thesis for the degree of candidate of technical sciences, specialty 05.05.03 -- engines and power plants. -- National Aerospace University named by N.Ye.Zhukovsky «Kharkov aviation institute», Kharkov, 2008.

The thesis is devoted to the problem of decreasing temperature fields nonuniformity along the radius of disks in the disk-drum GTE rotor disks by means of devices using dynamic pressure of axial cooling air stream.

As a result of executed experimental researches it is exposed, that the most effective reducing of temperature nonuniformity along the radius of disk is provided by shielding of disk with the ejector cavities.

On the basis of experimental data formulas for the computation of temperature along the radius of the shielded and unshielded disks are obtained. Possibility of diminishing of disk rotor temperature tensions by influence of devices with the ejector cavities is grounded, to increase the disk safety margin. At the rigid requirements to the mass and overall dimensions disk mass can be reduced as compared to unshielded one at the equal safety margins.

Key words: gas turbine engine, rotor disks, thermal and stressed state, ejector devices.

Страницы: 1, 2