Зменшення радіальної нерівномірності температурних полів у дисках роторів ГТД дискобарабанної конструкції (стр. 3 из 5)

Досвіди, у яких спостерігалася усталена робота ежектора, виконані при кутовій швидкості обертання

= 73,7 с^-1 і температурі води 298 К. Аналіз на основі теорії гідродинамічної подоби показує, що окружне й осьове числа Рейнольдса для умов експерименту відповідають більш 1,8×10⁴ хв^-1 ротора реального двигуна при швидкості охолоджуючого повітря в каналі під маточиною диска 35,6 м/с.

Виконана оцінка дозволяє зробити висновок, що працездатність ежекторних пристроїв зберігається при частотах обертання і витратах охолоджуючого повітря сучасних і перспективних ГТД.

У четвертому розділі на основі виконаних експериментальних досліджень отримані залежності для розрахунку розподілу температур по радіусу неекранованих дисків і екранованих дисків з ежекторними каналами. Приведено формули для розрахунку температури охолоджуючого повітря з урахуванням підігріву при транспортуванні його через внутрішні порожнини ротора. Безрозмірна температура

на середньому радіусі i-ої розрахункової ділянки змінюється по залежності

, (1)

де

;

— температура i-ої розрахункової ділянки диска;

— температура охолоджуючого повітря під маточиною диска, °С;t_max— температура газу в проточній частині, для осьового компресора визначається по ступені підвищення тиску повітря в даній ступені, °С;r— середній радіус розрахункової ділянки, м;

— зовнішній радіус диска, м.

Величина показника степеня m для i-ої ділянки неекранованого диска визначається за формулою

, (2)

де

— коефіцієнт температурного розширення повітря, К^-1,

; коефіцієнт С і показники ступеня x, y визначені за досвідченими даними для кожної розрахункової ділянки диска.

Залежність (1) може бути представлена у вигляді

, (3)

Для екранованого диска з ежекторними пристроями показник ступеня у формулі (3) враховує вплив екранування і осьового потоку охолоджувача на розподіл температури уздовж радіусу

, (4)

де

— осьове число Рейнольдса; w – швидкість осьового потоку охолоджуючого повітря в кільцевому каналі, утвореному екраном з ежекторними каналами і центральним валом, м/с;

— еквівалентний діаметр кільцевого каналу, м; n — кінематична в'язкість повітря, м²/c;

— ступінь екранування диска,

— радіус міждискової порожнини, м; F_max — площа поверхні диска, м²; F — площа вільних від екранування ділянок диска, м²; R— радіус підведення повітря до охолоджуваної частини диска (у зазор між екраном і диском), м; F_max — площа поверхні диска, м²; C₁, а, b — коефіцієнт і показники ступеня, визначені на основі дослідних даних для кожної розрахункової ділянки диска.

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 t_max = 570 °C; температурою охолоджуючого повітря під маточиною t_в = 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.