CC BY
21
УДК 629.7.03:536.24
Ю.Г. Калинкина, Т.А. Величко, Н.А. Соболева, В.И. Письменный Государственное предприятие «Ивченко-Прогресс», г. Запорожье, Украина
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАДИАЛЬНЫХ ЗАЗОРОВ В ОСЕВОМ КОМПРЕССОРЕ НА ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ ПУТЕМ РЕШЕНИЯ СОПРЯЖЕННОЙ ЗАДАЧИ
Определение радиальных зазоров в осевом компрессоре выполнялось с помощью программного пакета, в котором создана конечно-элементная модель ротора и статора. Сгенерирована сетка ротора и статора, выделены основные факторы теплового и механического нагружений. Для определения теплового состояния ротора и статора были рассчитаны и заданы граничные условия, а также свойства материалов, из которых изготовлен узел. Результатами сопряженных расчетов являются данные по перемещениям в контрольных точках. Для определения радиальных зазоров использовались значения перемещений ротора и статора с учетом «холодного» зазора. Был также выполнен расчет для определения радиальных зазоров между торцами статорных лопаток и барабаном ротора. Врезульта-те расчетов построены графики и сделаны соответствующие выводы.
Тепловое состояние, граничные условия, напряженно-деформированное состояние, теплообмен, рабочее колесо, воздушно-реактивный двигатель.
Введение
В последние годы из-за стремительного повышения цен на топливные ресурсы все больше внимания уделяется экономичности турбомашин. Одним из основных параметров при оценке авиационного двигателя является величина удельного расхода топлива. На экономичность двигателя в целом влияет удачно спроектированная конструкция и качественно изготовленные детали каждого узла в отдельности. Принимаем для рассмотрения один из таких узлов — компрессор высокого давления двигателя. Для этого узла важным показателем считается коэффициент полезного действия при определенной степени сжатия. Обеспечивая повышенные удельные параметры турбомашин необходимо увеличивать степень повышения давления в компрессоре. Увеличение значения степени повышения давления при проектировании приводит к получению малых высот лопаток на последних ступенях, а это в свою очередь приводит к росту потерь энергии из-за увеличения относительного радиального зазора. Таким образом, уменьшение перетекания через радиальный зазор и уменьшение его влияния на течение воздуха всего периферийного участка лопаток, позволяет увеличить степень повышения давления и КПД узла.
Исследования радиальных зазоров на различных режимах работы воздушно-реактивного двигателя можно выполнять с помощью компьютерного моделирования. В процессе создается конечно-элементная модель ротора и статора компрессора. Для получения точных результатов расчета необходимо учитывать действия механических сил и тепловых нагрузок.
Целью данной работы является определение величины радиальных зазоров, и их изменение во времени на различных режимах работы двигателя в зависимости от степени прогрева в компрессоре высокого давления. А также анализ полученных данных для возможности уменьшения негативного влияния радиальных зазоров.
1. Определение перемещений ротора и статора компрессора высокого давления
В настоящее время разработан ряд программных пакетов, реализующих метод конечных элементов для решения инженерных задач. С помощью такого пакета была сгенерирована сетка ротора и статора компрессора высокого давления для решения задач напряженно-деформированного состояния [1,2].
Каждая деталь двигателя при различных режимах работы двигателя испытывает различные нестационарные тепловые воздействия, влияние
© Ю.Г. Калинкина, Т.А. Величко, Н.А. Соболева, В.И. Письменный, 2008
которых зависит от длительности и степени прогрева деталей. Для определения теплового состояния и напряженно-деформированного состояния детали необходимо задать граничные условия.
1.1 Тепловые граничные условия на поверхности ротора и статора
Для расчета теплового состояния деталей ротора и статора учитывались соответствующие параметры теплового нагружения, то есть температура среды в проточной части, температура охлаждающего воздуха, коэффициенты теплоотдачи от среды проточной части и охлаждающего воздуха к деталям, а также коэффициенты контактного теплообмена.
Большинство деталей газотурбинных двигателей работает в условиях конвективного теплообмена с газовоздушной средой, поэтому задаются локальные граничные условия третьего рода (коэффициенты теплоотдачи и температуры окружающей среды), которые для расчета теплового состояния ротора и статора на переходных режимах были получены расчетно-эксперименталь-ным методом [3].
Значения давлений и коэффициентов теплоотдачи задавались в зависимости от рассчитываемой температуры и при помощи конечно-линейной интерполяции. Кроме заданных граничных условий необходимо задавать свойства материалов, из которых изготовлены ротор и статор [4]. Так как в окружном направлении присутствует нецелостность конструкции, то это следует учитывать с помощью изменения свойств материала на ортотропные.
1.2 Механические нагрузки для расчета ротора и статора
Для построения расчетных схем использовались двумерные, осесимметричные модели продольных сечений ротора и статора. На напряженное состояние деталей ротора и статора оказывают влияние факторы механического нагружения:
— вращение (учитывается только для ротора);
— силовое взаимодействие потока воздуха в полостях на детали;
— неравномерный прогрев, который приводит к возникновению температурных нагруже-ний и к перераспределению поля напряжений вследствие зависимости упругих свойств материала от температуры.
1.3 Результаты перемещений ротора и статора
Результатами расчетов является получение данных о перемещениях в контрольных точках ротора и статора компрессора высокого давле-
ния от воздействия различных факторов механического и температурного нагружения на переходных режимах роботы двигателя. Контрольные точки, брались на торцах рабочих лопаток, рабочих кольцах, торцах лопаток направляющих аппаратов и барабане ротора.
В работе представлены данные по перемещениям ротора и статора в радиальном направлении.
Перемещения в контрольных точках на торцах рабочих лопаток ротора при переходе с режима «малого газа» на «максимальный» режим увеличились в среднем на 0,24 мм; на барабане — 0,32 мм; на рабочих кольцах — 0,215 мм; на торцах лопаток направляющих аппаратов — 0,18 мм. А при переходе с «максимального» режима на режим «малого газа» перемещения уменьшились на торцах лопаток направляющих аппаратов в среднем на 0,12 мм; на рабочих кольцах — 0,15 мм; на торцах рабочих лопаток ротора — 0,08 мм; на барабане — 0,13 мм.
2. Определение радиальных зазоров над каждой ступенью компрессора высокого давления
Для определения радиальных зазоров необходимо использовать значения перемещений ротора и статора, а также учитывать наличие «холодного» зазора для каждой ступени.
Так как лопатки направляющих аппаратов консольные и существует зазор между статор-ными лопатками и барабаном ротора, то в процессе расчетов рассматривались радиальные зазоры между торцами рабочих лопаток и статор-ными кольцами (рис. 1...4), а также радиальные зазоры между торцами статорных лопаток и барабаном ротора (рис. 5.8) в компрессоре высокого давления.
Представлены результаты изменения радиальных зазоров при переходе с режима «малого газа» на «максимальный» режим в виде графиков (рис. 1, 3, 5, 7); при переходе с «максимального» режима на режим «малого газа» (рис. 2,4, 6, 8).
г?
0.5
0.3
99 101 103 105
-♦■О ступень • 1 ступень *2 ступень ступень Время, с
Рис. 1. Изменение радиальных зазоров на 0, 1, 2, 3 ступенях компрессора
1727-0219 Вестник двигателестроения № 3/2008
- 83 -
0,7
ll.l -I---1
223 225 227 229
-И) ступень • 1 ступень *2 ступень *3 ступень Время, с
Рис. 2. Изменение радиальных зазоров на 0, 1, 2, 3 ступенях компрессора О.Х - —— —■—
0.5 -I---.
99 101 103 105
»4 ступень ступень ступень ♦7 ступень Нрсмя. с
Рис. 3. Изменение радиальных зазоров на 4, 5, 6, 7 ступенях компрессора
0.6
0.3 -I---
223 225 227 229
»4 ступень *5 ступень -*"б ступень ♦7 ступень Нрсмя. с
Рис. 4. Изменение радиальных зазоров на 4, 5, 6, 7 ступенях компрессора
99 101 103 105
-«-2 ступень ♦З ступень *4 ступень Время, с
Рис. 5. Изменение радиальных зазоров на 2, 3, 4 ступенях компрессора
Рис. 6. Изменение радиальных зазоров на 2, 3, 4 ступенях компрессора
1,0 л
О.К --1-.
99 101 103 105
-в-5 СТЛТ]СНЬ *Cl СТуПСНЬ ВрСМЯ, с
Рис. 7. Изменение радиальных зазоров на 5, 6 ступенях компрессора
Рис. 8. Изменение радиальных зазоров на 5, 6 ступенях компрессора
Заключение
В данной работе была создана конечно-элементная модель компрессора высокого давления, при помощи которой выполнено численное исследование радиального зазора на переходных режимах работы двигателя в процессе приемистости и в процессе сброса.
В результате анализа данных, которые получены после проведения расчетов, можно говорить о возможности уменьшения «холодного» зазора на двигателе при сборке между торцами рабочих лопаток примерно на 0,15 мм, а между торцами статорных лопаток и барабаном ротора на 0,2 мм.
Основываясь на данные по испытаниям подобного компрессора, которые проведены ГП «Ивченко-Прогресс», можно сказать, что при уменьшении радиального зазора примерно на 0,5 мм увеличивается коэффициент полезного действия примерно на 0,02 (2%).
Следовательно, благодаря уменьшению радиальных зазоров в данной рассчитываемой конструкции, существует возможность получить прирост коэффициента полезного действия на 0,8 %.
Литература
1. Басов К.А. А№У8: справочник пользователя. - М.: ДМК Пресс, 2005. - 640 с.
2. Чигарев A.B., Кравчук A.C., СмалюкА.Ф. ANSYS для инженеров. — Справ. пособие. М.: Машиностроение-!, 2004.— 512 с.
3. Локай В.И., Бодунов М.Н. Теплопередача в охлаждаемых деталях ГТД летательных аппаратов. — М.: Машиностроение, 1985. — 75 с.
4. Туманов А.Т. Авиационные материалы. Справ. пособие. - М.: ОНТИ, 1973.- т. 5, - 585 с.
Поступила в редакцию 01.06.08
Рецензент: канд. техн. наук, главный конструктор Мартыненко Л.И., ГП «Ивченко-Прогресс», г. Запорожье.
Визначення рад1алъних зазор1в в осьовому компресор! виконувалосъ за допомогою про-грамного пакета, в якому було розроблено кшцево-елементну модель ротора i статора. Згенеровано стку ротора i статора, видлено основш фактори теплового та мехашчного навантаженъ. Для визначення теплового стану ротора i статора було розраховано та задано граничш умови, а також властивостi матер!ал!в, з яких виготовлено вузол. Результатами спряженихрозрахунк!в е дат з перемщенъ в контролъних точках. Для визначення рад!алъних зазор!в використовувалисъ значення перемщенъ ротора i статора з урахуван-ням «холодного» зазору. Було також виконано розрахунок по визначенню радiалъних зазорiв м!ж торцями статорних лопаток i барабаном ротора. Врезулътатiрозрахункiв побудова-но графки та зроблено вiдповiднi висновки.
Determination of the radial clearances in the axial compressor was carrying out by the use of program package, in which the finite-elements model of the rotor and the stator has been created. The mesh of the rotor and the stator has been generated, the main factors of the thermal and the mechanical loading have been defined. The boundary conditions have been calculated and specified for identification of the thermal condition of the rotor and the stator, and also the material properties of which the unit had been manufactured have been defined. The displacements in the checkpoints information is result of adjoint calculations. The values of displacement of the rotor and stator subject to «cold» clearance were using for determination of radial clearances. Also the calculation of the radial clearances between the stator blades faces and the rotor drum has been made. As the result of the calculations the graphs have been constructed and the conclusions have been made.
ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения № 3/2008
- 85 -
