Анализ напряженно-деформированного состояния силовых корпусов камеры сгорания для наземной газотурбинной установки Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.7.036.3

1Ф.К. ЗАКИЕВ, 1А.С. КИСЕЛЕВ, 2Н.П. ВЕЛИКАНОВА, 2П.В. ИВАНОВ

1ОА^О КПП «Авиамотор» Казань, Россия 2Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ Казань, Россия

АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ СИЛОВЫХ КОРПУСОВ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ДЛЯ НАЗЕМНОЙ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ

Приведен анализ напряженно-деформированного состояния силовых корпусов камеры сгорания наземной газотурбинной установки для газоперекачивающего агрегата. Конструкция камеры сгорания разработана на базе газогенератора авиационного конвертированного двигателя. Изменения в конструкцию внесены в связи с изменением топлива. Оценка напряженно-деформированного состояния силовых элементов камеры сгорания выполнено с помощью программных комплексов «ЫХ 7.5» и «ЛЫБУБ». В результате проведенной работы установлено, что ресурс силовых элементов камеры сгорания составляет не менее 100000 часов. Полученные запасы прочности являются достаточными для силовых корпусов камеры сгорания наземного газотурбинного двигателя.

Ключевые слова: корпус наружный, корпус внутренний, кольцо подвески, прочность, устойчивость, ресурс.

Введение

Камера сгорания газотурбинного двигателя является сложным и ответственным узлом, от степени совершенства которого во много зависят основные данные всего двигателя, его надежность и ресурс. Проектирование камер сгорания энергетических установок имеет свои особенности, связанные с решением задач по общим требованиям экологии и эксплуатационной надежности.

Корпуса наружный и внутренний камеры сгорания являются силовыми узлами двигателя, выполненными из жаропрочного листового сплава на никелевой основе. Материалы, применяемые для изготовления камер сгорания, должны удовлетворять специфическим условиям работы узлов и обеспечивать работоспособность конструкции в течение ресурса работы двигателя. Корпус наружный камеры сгорания представляет собой сварной узел, состоящий из профилированной передней и задней листовых стенок и фланцев — переднего среднего и заднего. Передним и задним фланцами корпус камеры сгорания крепится соответственно к наружным фланцам спрямляющего аппарата компрессора и корпуса соплового аппарата турбины. Внутренний корпус камеры сгорания представляет собой профилированный сварной узел, крепящийся передним фланцем к спрямляющему аппарату компрессора, а задним — к корпусу соплового аппарата турбины.

Узлы камер сгорания подвержены воздействию высоких температур и перепадов

давления, динамическим и вибрационным нагрузкам, а также пульсациям газового потока, возникающим при сгорании топлива. Максимальный перепад давления на корпус камеры может достигать 300 МПа, а температура стенок — 650...700°С . Основные требования, предъявляемые к материалам камер сгорания:

- высокая жаропрочность и жаростойкость;

- высокое сопротивление усталости и трещиноо-бразование при низкой скорости распространения трещин;

- устойчивость к газовой коррозии;

- удовлетворительные технологические свойства (способность к пластической деформации, хорошая обрабатываемость резанием, хорошая свариваемость и др.) [2]

На работающем двигателе на элементы камеры сгорания действуют следующие нагрузки:

- газодинамические силы, обусловленные перепадом давления;

- осевая сила и окружное усилие от газового потока, действующие на корпусные детали камеры сгорания;

- температурные усилия от нагрева деталей, возникающие в осевом и радиальном направлениях в зонах соединения элементов . [3]

1. Расчет на прочность корпуса наружного и кольца подвески жаровой трубы камеры сгорания

Геометрические модели корпуса наружного камеры сгорания и кольца подвески жаровой части созданы с помощью САБ-системы «КХ 7.5», затем для последующего расчета на

© Ф.К. Закиев, А.С. Киселев, Н.П. Великанова, П.В. Иванов, 2013

прочность из полученной модели был вырезан сектор (1/42 часть - кратно числу отверстий в кольце подвески), представленный на рис . 1.

Рис. 1. Геометрическая модель корпуса наружного с кольцом подвески камеры сгорания

Расчет производился методом конечных элементов в трехмерной постановке задачи с использованием свойства циклической симметрии. Для создания конечно-элементной модели были использованы элементы типа 8оШ186 и 8оШ187.

Приложение перепада давления, равного ризб = 17,24 кгс/см2, производилось на внутренние поверхности корпуса наружного камеры сгорания.

На жаровую часть камеры сгорания действует результирующая реактивная осевая сила величиной Рг = 1001 кгс, направленная против потока газа. Распределение усилия производилось на узлы крепления уплотнительных колец на кожухах камеры сгорания.

На корпус наружный действует растягивающая осевая сила, равная Росев = 36587,8 кгс . Приложение и распределение усилия производилось по фланцу крепления к корпусу соплового аппарата турбины.

Рис. 2. Ограничение перемещений и приложение усилий

Закрепление модели производилось по фланцу крепления корпуса наружного камеры

сгорания к корпусу компрессора. Ограничение радиальных перемещений производилось в месте крепления колец уплотнительных на кожухах камеры сгорания. Условия закрепления и приложение усилий изображены на рис. 2.

Кольцо подвески жаровой трубы камеры сгорания изготовлено из материала — сплав ХН50ВМТЮБ. Свойства материала взяты в соответствии с паспортом ВИАМ №524 для рабочей температуры 500 °С. Значение предела длительной прочности при рабочей температуре 500 °С на ресурс 100000 часов получено путем экстраполяции имеющихся параметров длительной прочности для материалов ЭП99 и ЭП199, аналогичных по указанным свойствам.

Корпус наружный камеры сгорания изготовлен из материала — сплав ХН45МВТЮБР (ЭП718). Свойства материала взяты в соответствии для рабочей температуры 500 °С. Значение предела длительной прочности при рабочей температуре на ресурс 100000 часов получено путем экстраполяции имеющихся параметров длительной прочности [4]. Свойства материалов сведены в таблицу 1.

Таблица 1 — Свойства материалов

Материал ХН50ВМТЮБ ХН45МВТЮБР

Модуль упругости, Е, кгс/мм2 16600 15700

Коэффициент Пуассона, ^ 0,28 0,28

Плотность, р, кг/м3 8180 8290

Предел длительной прочности, 500 °С , кгс/мм2 80,5 63,7

В расчете учтено действие температурного расширения до рабочей температуры 500 °С, коэффициент линейного расширения задавался равным а =14,3-10-6 1/град.

Изолинии интенсивности эквивалентных напряжений и радиальных перемещений изображены на рис. 3 - 6.

Максимальное значение эквивалентных напряжений по Мизесу на корпусе наружном камеры сгорания составило ст^х =20,03 кгс/мм2, что видно из рис. 3.

Коэффициент запаса длительной прочности по эквивалентным напряжениям на корпусе наружном камеры сгорания при этом равен:

500 °С

^кн СТЮ00000

--

63,7 20,03

= 3,18

(1)

5ЬисЛк«/ <Л№?5> Ша Ыш1 КшД

Рис. 3. Изолинии эквивалентных напряжений по Мизе-су, корпус наружный, кгс/мм2

Максимальное значение эквивалентных напряжений по Мизесу, как видно из рис . 4, на кольце подвески жаровой трубы камеры сгорания составило =15,15 кгс/мм2

Коэффициент запаса длительной прочности по эквивалентным напряжениям на кольце подвески жаровой трубы камеры сгорания при этом равен:

Рис. 4. Изолинии эквивалентных напряжений по Мизе-су, кольцо подвески жаровой трубы, кгс/мм2

Рис. 5. Изолинии эквивалентных напряжений по Мизе-су, фланец крепления к сопловому аппарату турбины, кгс/мм2

Рис. 6. Изолинии радиальных перемещений, мм

Максимальные радиальные перемещения корпуса наружного от действия силовых факторов составили иг = 4,2 мм.

Коэффициенты запаса длительной прочности достаточны для работоспособности корпуса наружного и кольца подвески камеры сгорания на рабочем режиме в течение ресурса 100000 часов.

2. Расчет на устойчивость корпуса внутреннего камеры сгорания

Проведен расчет корпуса внутреннего камеры сгорания соединенным с корпусом соплового аппарата турбины на прочность и устойчивость на ресурс 100000 часов.

Геометрические модели корпусов построены с использованием системы «Компас» и переданы в расчетную систему «А№У8» через формат «ЮБЗ» .

В связи с отсутствием экспериментальных данных по длительной прочности материалов корпусов, оценка запасов прочности проводилась по кривым, полученным экстраполяцией данных по длительной прочности материалов в соответствии со справочными данными ВИАМ с помощью параметра Лар-сона - Миллера. Расчетная модель корпусов представлена на рис 7.

8ег X о£ 1 09:41:49

sp.ec ыке (Ыпез) вКЕС_ЫИЕ_1_$Р СЫпез) 5!ШЭ~ЫИЕ_2_ЗР (Ьхпез)

Рис. 7. Средняя линия модели корпусов внутренних камеры сгорания и соплового аппарата турбины

Расчет выполнен для режима температур наружного воздуха 1н= - 55 °С. На корпуса внутренние действуют внешнее избыточное давление, продольная сила и крутящий момент, соответственно от осевых и окружных усилий в сопловых лопатках турбины, причем от первого соплового аппарата турбины на него передается, только половина осевых и окружных усилий в силу закрепления лопаток, как балки на двух опорах, - другая воспринимается наружным корпусом.

Осевое усилие равно:

F =

pica 2699

, (3)

где Р^ев - осевая сила, равная = 2699 Н;

Ъ = 54 — количество лопаток первого соплового аппарата турбины. Окружное усилие равно:

lea

F =

pica гокр

1 1 QQ С

кгс, (4)

где Р^ - окружная сила, равная Р^ =1189,5 Н;

окр

Ъ = 54 — количество лопаток первого соплового аппарата турбины.

Материал корпуса внутреннего камеры сгорания - сплав ХН45МВТЮБР (ЭП718), корпуса внутреннего соплового аппарата турбины - сплав ХН77ТЮР-ВД (ЭИ437Б). Механические свойства этих материалов приведены в таблицах 2, 3.

Таблица 2 — Свойство материала — сплав ХН77ТЮР-ВД

, кгс/мм2 90

Е500 , кгс/мм2 1,7Е+04

2,8Е-01

р , кг-с2/мм4 8,2Е-10

Таблица 3 — Свойство материала — сплав ХН45МВТЮБР

CTg00 , кгс/мм2 100

Е500 , кгс/мм2 1,57Е+04

2,8Е-01

р , кг-с2/мм4 8,29Е-10

Рис. 8. Схема приложения давления

Рис. 9. Схема задания граничных условий и нагружения осевой силой и крутящим моментом

Жесткость фланцев со стороны соплового аппарата турбины вводится в конечно - элементную модель посредством использования оператора СР на узлах, лежащих в зоне фланца, через задание установок степеней свободы для данного набора узлов. Результаты расчета представлены на рис. 10.

Рис. 10. Изолинии эквивалентных напряжений корпусов по Мизесу (вырез 30°)

Схема нагружения корпусов камеры сгора-

Максимальное эквивалентное напряжение,

ния и турбины изображена на рис. 8, задание полученное на внутреннем корпусе соплового граничных условий представлено на рис. 9. аппарата турбины, составляет стэкв = 16,892 кгс/мм2.

Предел длительной прочности материала -сплав ХН77ТЮР-ВД (ЭИ437Б) получен экстраполяцией значений, взятых из Справочника ВИАМ [4] по авиационным материалам, с помощью параметра Ларсона-Миллера:

°дл - ст100000

500 °С т100000

= 53,7кгс / мм

Минимальный коэффициент запаса прочности корпуса внутреннего соплового аппарата турбины:

1У* _

Рдп = 53,7 сттах 16,892

= 3,2

(5)

где - предел длительной прочности материала ХН77ТЮР;

сттах - максимальное эквивалентное напряжение на внутреннем корпусе соплового аппарата турбины.

Максимальное эквивалентное напряжение на внутреннем корпусе камеры сгорания составляет стэкв = 14,679 кгс/мм2.

Предел длительной прочности материала - сплав ХН45МВТЮБР (ЭП718) получен экстраполяцией значений, взятых из Справочника ВИАМ [4] по авиационным материалам, с помощью параметра Ларсона-Миллера:

( 1° 500 "С „ _ . 2

°дл = 00000 = |<ТЮ0000 = 63,7кгс / мм

Минимальный коэффициент запаса прочности корпуса внутреннего камеры сгорания:

1У* _

Ода _ 63,7

сттах 14,679

= 4,3

(6)

где - предел длительной прочности материала ХН45МВТЮБР;

сттах - максимальное эквивалентное напряжение на внутреннем корпусе камеры сгорания.

Первая форма потери устойчивости корпусов представлена на рис . 11.

Рис. 11. Первая форма потери устойчивости

Полученные коэффициенты запаса достаточны. Минимальный коэффициент запаса устойчивости составляет Ку=19,38.Полученный коэффициент запаса устойчивости достаточен.

Вывод

В результате проведенного расчета на прочность корпуса наружного с кольцом подвески жаровой трубы и устойчивость корпуса внутреннего с корпусом соплового аппарата получены следующие результаты:

1. Для корпуса наружного камеры сгорания с кольцом подвески жаровой трубы максимальное значение эквивалентных напряжений по Мизесу составило:

°тах = 20, 03 кгс/мм2 - на корпусе наружном камеры сгорания;

°тах =15,15 кгс/мм2 - на кольце подвески жаровой трубы камеры сгорания.

Коэффициенты запаса длительной прочности по эквивалентным напряжениям при этом равны:

К™ =3,18 - на корпусе наружном камеры сгорания;

К™ =5,31 - на кольце подвески жаровой трубы камеры сгорания.

Максимальные радиальные перемещения корпуса наружного от действия силовых факторов и температурного расширения составили иг = 4,2 мм.

Коэффициенты запаса длительной прочности достаточны для работоспособности корпуса наружного и кольца подвески камеры сгорания на рабочем режиме в течение ресурса 100000 часов.

2. Для корпуса внутреннего камеры сгорания с корпусом соплового аппарата турбины запасы прочности составили:

- минимальный коэффициент запаса прочности корпуса внутреннего камеры сгорания составляет Кт|п=4,3;

- минимальный коэффициент запаса прочности корпуса внутреннего соплового аппарата турбины составляет Кт^п=3,2.

Минимальный коэффициент запаса устойчивости корпусов внутренних камеры сгорания и соплового аппарата турбины составляет Ку = 19,38.

Расчетные минимальные коэффициенты запасов достаточны для безопасной эксплуатации корпуса внутреннего камеры сгорания и корпуса соплового аппарата турбины на ресурс 100000 часов.

Полученные запасы прочности являются достаточными для силовых корпусов камер сгорания наземного газотурбинного двигателя.

Литература

1. Расчет на прочность авиационных газотурбинных двигателей [Текст] / под ред. Биргера И.А. и Котерова Н.И. — М.: Машиностроение, 1984. — 208 с.

2. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей [Текст]: учеб. для вузов / С.А. Вьюнов, Ю.Н. Гусев, А.В. Карпов и др.; под общ. ред. Д.В. Хрони-на. — М.: Машиностроение, 1989. — 368 с.

3. Расчет на прочность деталей машин [Текст] / под ред. И.А. Биргер, Б.Ф. Шорр, Г.Б. Иосилевич - 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1979. — 702 с.

4. Справочник по авиационным материалам. Коррозионностойкие и жаропрочные стали и сплавы [Текст]/ Справ. ВИАМ — 6-е изд., перераб. и доп. М.: ОНТИ, 1973. — 630 с.

Поступила в редакцию 06.06.2013

Ф.К. Закюв, О.С. Кисельов, Н.П. Вс.мканова, П.В. 1ванов. Анамз напружено-деформованого стану силових корпуав камери згоряння для наземно! газотурбшно! установки

Наведено анализ напружено-деформованого стану силових корпусов камери згоряння наземно! газотурбтноi установки для газоперекачувального агрегату. Конструкцию камери згоряння розроблено на баз1 газогенератора ав^ацшного конвертованого двигуна. Змти в конструкцию внесено у зв'язку 1з змтою палива. Оцтку напружено-деформованого стану силових елемент^в камери згоряння виконано за допомогою програмних комплексов «NX 7.5» i «ANSYS». Урезультат1 проведеноi роботи встановлено, що ресурс силових елемент^в камери згоряння становить не менше 100000 годин. Отримаш запаси мiцностi е достатшми для силових корпуЫв камери згоряння наземного газотурбтного двигуна.

Ключов1 слова: корпус зовншнш, корпус внутршнш, кыьце тдвкки, мщшсть, стштсть, ресурс.

F.K. Zakiev, A.S. Kiselev, N.P. Velikanova, P.V. Ivanov Analysis of stress - strain of power combustion chamber casing for ground gas turbine plant

The analysis of the stress - strain state power bodies terrestrial gas turbine combustion systems for gas-compressor unit. Design of the combustion chamber is designed on the basis of converted aircraft engine gas generator\ Changes made to the structure due to changes in fuel. Evaluation of stress - strain state of the power components of the combustion chamber is configured using software systems «NX 7.5» and «ANSYS». As a result of this work found that the resource load-bearing elements of the combustion chamber is not less than 100,000 hours. The resulting safety margins are sufficient to power packages combustion turbine engine ground.

Key words: building exterior, building internal, ring suspension, durability, sustainability, resource.