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.