Исследование напряженно-деформированного состояния лопаток газотурбинных установок.

Лопатки турбомашин испытывают действие центробежных сил вращения, аэродинамических сил потока пара или газа. Эти усилия вызывают растяжение, изгиб и кручение рабочей лопатки.Центробежные силы относятся к стационарным или медленно меняющимся силам и, следовательно, от них зависит статическая кратковременная и длительная прочность лопаток. Эти силы вызывают статическое растяжение, изгиб и кручение рабочих лопаток.Аэродинамические силы имеют стационарные и переменные составляющие. Первые вызывают статический изгиб и кручение и, как центробежные силы, влияют на статическую прочность, вторые вызывают колебания и определяют вибрационную надежность лопаточного аппарата.Рабочие лопатки испытывают также температурные воздействия. При переходных режимах (пуск, нагружение, разгрузка, остановка) в рабочих лопатках турбомашин вследствие неравномерного прогрева или охлаждения возникают температурные напряжения. При повторных переходных режимах температурные воздействия определяют термоциклическую прочность рабочих лопаток.

На рисунке 1 представлена расчетная схема аэродинамических нагрузок и изгибающих моментов.Ось r проходит через центр тяжести корневого сечения. Распределенная нагрузка, действующая на элемент, заменяется сосредоточенной силой. dP=q(r₁)*dr₁ ; dM= dP*(r₁-r)

Рис.1 Расчетная схема

Наибольшие напряжения рабочие лопатки испытывают вследствие температурных воздействий, особенно при переходных режимах работы. Наиболее информативным методом определения теплового состояния охлаждаемой лопатки является тепловой расчет в трехмерной постановке. Ввиду его сложности и трудоемкости, а также определенных методических проблем в достоверном определении граничных условий на стадии проектировочных расчетов в основном используются двумерные расчеты температурных полей в сечениях лопаток.

В настоящее время основным методом численного решения тепловых задач является метод конечных элементов, позволяющий очень точно моделировать геометрию расчетной области и граничные условия. Математически задача сводится к решению уравнения теплопроводности в плоской двумерной постановке с граничными условиями третьего рода (температура среды и коэффициент теплоотдачи на границе расчетной области). В качестве расчетных сечений берутся плоские сечения пера лопатки на нескольких значениях радиуса (обычно от 3 до 7 сечений на пере). Конечно-элементная сетка на расчетной области строится автоматически с использованием пакета программ ANSYS.

Для определения температурного состояния лопатки на переходных режимах проводится нестационарный расчет. Граничные условия задаются такие же, как в стационарном расчете, но как функция времени. При этом не рекомендуется пользоваться квазистационарными граничными условиями, так как запаздывание температуры охлаждающего воздуха может достигать величины, соизмеримой с постоянной времени лопатки, а относительный расход охлаждающего воздуха на переменных режимах может отличаться от стационарного на 10... 15%.Теплофизические свойства материала - теплопроводность и теплоемкость, задаются как функция температуры. На рисунке 2 показано расположение зон теплоотдачи в сечении рабочей лопатки иприведены результаты расчета рабочей лопатки 1 ступени в виде изотерм температурного поля.

Рис.2 Температурное поле в сечении рабочей лопатки

Расчеты показывают, что при переходном и номинальном режимах работы, особенно при переходном режиме на рабочие лопатки газотурбинных установок действуют нагрузки близкие к предельным. Данные расчеты будут полезны для исследования в области применения новых систем охлаждения внутренней полости лопаток, а так же исследовать новые высокожаропрочные никелевые сплавы, обладающие удовлетворительной коррозионной стойкостью.При проведении среднего или капитального ремонта стационарных ГТУ доля затрат на замену или ремонт лопаточного аппарата составляет 30 -^70 % от стоимости ремонта газоперекачивающего агрегата. В связи с ростом температуры перед турбиной высокого давления, достигающей сегодня 1064°С, и резким снижением в связи с этим ресурса лопаточного аппарата затраты на его ремонт еще больше возрастают и достигают 83 % от стоимости ремонта агрегата. Поэтому оценка напряженно-деформированного состояния и определение наиболее нагруженных участков рабочей лопатки является важным фактором в определении условий безопасной эксплуатации газоперекачивающих агрегатов, а так же в прогнозирование и продление ресурса лопаточного аппарата стационарных ГТУ.

Перечень использованной литературы:

1. Dailey, G.M. Design and Calculation Issues. Aero-Thermal Performance of Internal Cooling Systems in Turbomachines. Lecture Series 2000-03. Von Karman Institute for Fluid Dynamics, 2000.

2. Иванов М.Я., Почуев В.П. Проблемы создания высоко-температурных турбин современных авиационных двигателей. Конверсия в машиностроении, №5, 2000.

3. А.Г. Костюк, Динамика и прочность турбомашин: Учебник для вузов – Москва: Издательский дом МЭИ 2007. – 311 с.

4. А.А. Халатов, Ю.А.Дашевский, Охлаждение лопаток высокотемпературных газовых турбин: современное состояние // Газотурбинные технологии. – М., 2009. – №6. – C. 7 – 12.