Диссертация (Разработка методики проектирования замковых соединений керамических лопаток с металлическим диском в перспективных газотурбинных двигателях летательных аппаратов), страница 11

3.5. Тепловое состояние диска и лопатки «К» на режиме «Взлѐт», Ο СРис. 3.6. Тепловое состояние диска и лопатки «К» на режиме «Крейсер», Ο С90Рис. 3.7. Тепловое состояние диска и лопатки «К» на режиме«Земной малый газ», Ο СРис. 3.8. Тепловое состояние диска и лопатки «Н» на режиме «Взлѐт», Ο С91Рис. 3.9.

Тепловое состояние диска и лопатки «Н» на режиме «Крейсер», Ο СРис. 3.10. Тепловое состояние диска и лопатки «Н» на режиме«Земной малый газ», Ο С92В Таблице 3.12 приведены результаты анализа теплового состояниярабочего колеса с лопатками из керамики «К», в Таблице 3.13 – с лопатками изкерамики «Н».Таблица 3.12.Результаты тепловых расчѐтов для лопаток «К»ΔTK ΟСΔTЛ ΟСTЛ MAX ΟСTД MAX ΟС«Взлѐт»804051298947«Крейсер»482561042816«Земной малый газ»29120644537ΔTK – разность температур в области контакта лопатки и диска; ΔTЛ – перепадтемператур в лопатке; TЛ MAX – максимальное значение температуры в лопатке;TД MAX – максимальное значение температуры в диске.Таблица 3.13.Результаты тепловых расчѐтов для лопаток «Н»ΔTK ΟСΔTЛ ΟСTЛ MAX ΟСTД MAX ΟС«Взлѐт»-1,58301386686«Крейсер»-0,57251176563«Земной малый газ»-1,9448731352ΔTK – разность температур в области контакта лопатки и диска; ΔTЛ – перепадтемператур в лопатке; TЛ MAX – максимальное значение температуры в лопатке;TД MAX – максимальное значение температуры в диске.933.4.

Исследование особенностей теплового состояния замкового соединениякерамических лопаток типа «ласточкин хвост»Дляоценкитеплофизическихвлияниятермическогохарактеристикконтактногокерамическогосопротивленияматериаланаитепловоесостояние рассматривалась первая ступень турбины высокого давления степловыми граничными условиями 3 рода, соответствующими режиму взлѐта(раздел 3.2). Принималось, что коэффициент теплопроводности металлаλ Д  20 Вт/(м Ο С) ,акерамикиλ Л  15 и 300 Вт/ м Ο С .

Исследовалсяперепад температур в области контакта керамической лопатки с металлическимдиском ΔTK (Рис. 3.11, точки 1 и 2), перепад температур в керамическойлопатке ΔTЛ и максимальное значение температуры в ободе металлическогодиска TД MAX .На рисунке 3.12 представлены результаты расчѐтов перепада температур вобласти контакта керамической лопатки с металлическим диском ΔTK вдиапазоне значений величины термического контактного сопротивления взамковом соединении лопатки и диска турбины от 1000 до 50000 Вт/(м2°С).Рис.

3.11. Исследуемые зоны перепада температур94Рис. 3.12. Влияние контактной термической проводимости на разницутемператур в замковом соединении керамических лопатокКак видно из полученных результатов, при использовании лопаток изкерамического материала с λ Л  300 Вт/ м Ο С возникает существенныйтемпературный скачок в области контакта с металлическим диском (точки 1, 2рис. 3.11), который более, чем в три раза уменьшается при увеличениитермической проводимости контакта от 100 Вт/(м2°С) до 30000 Вт/(м2°С).

Прииспользованиикерамическогоматериаласλ Л  15 Вт/ м Ο Сперепадтемператур в области контакта не превышает 5 Ο С , термическая проводимостьконтакта не оказывает существенного влияния.На Рис. 3.13 представлены результаты расчѐтов перепада температур вобласти контакта керамической лопатки с металлическим диском ΔTK вдиапазоне значений величины термического контактного сопротивления взамковом соединении лопатки и диска турбины от 1000 до 50000 Вт/(м2°С).95Рис.

3.13. Влияние контактной термической проводимости на разницутемператур в керамической лопатке и на максимальное значениетемпературы в ободе металлического дискаПрииспользованиилопатокизкерамическогоматериаласλ Л  15 Вт/ м Ο С перепад в лопатке ΔTЛ существенно больше, чем приooλ Л  300 Вт/ м Ο С : 650 С и 320 С соответственно.

Максимальное значениетемпературы лопатки в первом случае 1226 oС, во втором – 1128 oС. При этом вовтором случае происходит больший перегрев металлического диска, степенькоторого зависит от термической проводимости контакта.НаРис.3.14показановлияниекоэффициентатеплопроводностикерамической лопатки на максимальную температуру нагрева ободной частиметаллического диска [147].96Рис.

3.14. Влияние коэффициента теплопроводности керамической лопаткина максимальную температуру ободаВ случае, когда коэффициент теплопроводности материала лопаткипревышает значение λ Л  15 Вт/ м Ο С, максимальное значение температуры вверхней части выступов диска достигает TД MAX  700 о С .3.5. Моделирование теплонапряжѐнного состояния рабочего колеса скерамическими лопатками на типовых режимах полѐтаС учѐтом полученных выше тепловых состояний на расчѐтных режимахпроводилось моделирование теплонапряжѐнного состояния рабочего колесатурбины с керамическими лопатками. Результаты расчѐтов (для диска ‒эквивалентные напряжения по Мизесу, а для лопатки – первые главныенапряжения) для конструкции с лопатками из керамики «К» приведены на Рис.3.15 – 3.18, а для «Н» – на Рис. 3.19 – 3.22.97Рис.

3.15. Теплонапряжѐнное состояние диска и лопатки «К»на режиме «Взлѐт», МПаРис. 3.16. Теплонапряжѐнное состояние диска и лопатки «К»на режиме «Крейсер», МПа98Рис. 3.17. Теплонапряжѐнное состояние диска и лопатки «К»на режиме «Земной малый газ», МПаРис. 3.18. Контактные напряжения в модели с лопатками «К»на режиме «Взлѐт» с проставками 0,2 мм (справа) и без, МПа99Рис.

3.19. Теплонапряжѐнное состояние диска и лопатки «Н»на режиме «Взлѐт», МПаРис. 3.20. Теплонапряжѐнное состояние диска и лопатки «Н»на режиме «Крейсер», МПа100Рис. 3.21. Теплонапряжѐнное состояние диска и лопатки «Н»на режиме «Земной малый газ», МПаРис. 3.22. Контактные напряжения в модели с лопатками «Н»на режиме «Взлѐт» с проставками 0,2 мм (справа) и без, МПа3.6. Анализ теплонапряжѐнного состояния рабочего колеса скерамическими лопатками на типовых режимах полѐта3.6.1.

Оценка прочности металлических дисковПри помощи соотношений (1.2), (1.3) и вспомогательного программногокода в среде Ansys APDL определены запасы по разрушающей частоте101вращения на наиболее теплонагруженном режиме «Взлѐт» дисков конструкцийс лопатками «К» (рис. 3.23): kB1=1,70; kB2MIN=1,30 и «Н» (Рис. 3.24): kB1=1,68;kB2MIN=1,29.Рис. 3.23. Запасы по несущейРис. 3.24. Запасы по несущейспособности диска («К»)способности диска («Н»)Для каждого режима проводилось определение запаса по долговечности:ζn i ζдл i(3.1)экв iгде σдлi ‒ предел прочности, зависящий от времени работы на i-ом режиме итемпературы (см.

табл. 3.3, 3.4); σэквi ‒ эквивалентное напряжение по Мизесу(соотношение 1.4) в исследуемой зоне.В диске выделены опасные зоны: зона 1 с максимальной температурой(верх замковой части); зона 2 с максимальным эквивалентным напряжением вступице диска; зона 3 с максимальным эквивалентным напряжением в замковойчасти диска (выкружка паза диска). В Таблице 3.14 приведены результатырасчѐтов запасов по длительной прочности дисков конструкции с лопатками«К», а в Таблице 3.15 ‒ дисков конструкции с лопатками «Н».102Таблица 3.14.Запасы длительной прочности дисков в конструкции с лопатками «К»ζэкв i, МПаT oCζдл i, МПаniРежим «Взлѐт», 2 мин ‒ 20000 цикловЗона 1101947100,10Зона 2100748614401,43Зона 397968513050,80Режим «Крейсер», 120 мин ‒ 20000 цикловЗона 1738161722,36Зона 273140514642,00Зона 3102463114141,38Режим «Земной малый газ», 10 мин ‒ 20000 цикловЗона 118537143579,72Зона 235320415094,28Зона 354143614582,70Таблица 3.15.Запасы длительной прочности дисков в конструкции с лопатками «Н»ζэкв i, МПаT , oCζдл i, МПаniРежим «Взлѐт», 2 мин ‒ 20000 цикловЗона 14068677119,27Зона 299748614461,45Зона 397957714261,46Режим «Крейсер», 120 мин ‒ 20000 цикловЗона 132563142944,65Зона 271140414652,06Зона 397047714481,49Режим «Земной малый газ», 10 мин ‒ 20000 цикловЗона 130352147649,20Зона 232720415094,62Зона 344426114963,37103Для оценки длительной прочности дисков использовалась гипотеза олинейном суммировании повреждений П:kk 1Π  Π  i  1 i i  1 ni(3.2)где n ‒ запас по долговечности на i-ом режиме.iРезультаты расчѐтов приведены в Таблице 3.16.Таблица 3.16.Повреждаемость металлических дисковΠКонструкция слопатками «К»Конструкция слопатками «Н»Зона 1Зона 2Зона 310,541,432,360,101,391,65Проводилась оценка циклической долговечности для цикла 0-MAX-0 поформуле Мэнсона (соотношение 1.6) зоны 3, в которой возникают пластическиедеформации.

Расчѐтный режим MAX соответствовал режиму «Взлѐт». Размахинапряжений и деформаций вычислялись при помощи вспомогательногопрограммного кода в среде Ansys APDL из соотношений [148, 149]:3pΔε  Δεe  Δεi 2  (1  ν)ii(3.3)2eee 2ee 2ee 2 3e2e 2e2Δε  (    )  (    )  (    )   (    )i11222233331112231332(3.4)2ppp 2pp 2pp 2 3p2p2p2Δε  (    )  (    )  (    )   (    )i11222233331112231332(3.5)ζmζэкв i Δζ /2i2Δζ  (    ) 2  (    ) 2  (    ) 2  6  (  2   2   2 )i 2112222333311122313(3.6)(3.7)104гдеΔζ  ζ load  ζ unloadijijij‒ тензор размахов напряжений;тензор размахов упругих деформаций;Δε e  ε load  ε unloadijijijΔε p  ε load  ε unloadijijij‒‒ тензор размаховпластических деформаций.Результаты расчѐтов циклической долговечности дисков ‒ в Таблице 3.17.Таблица 3.17.Циклическая долговечность дисков по циклу 0-MAX-0T , oCΔε, %ζ , МПаm  104 , 1 / циклN , цикл7160,674190,54185006010,624650,2049725Конструкцияс лопатками«К»Конструкцияс лопатками«Н»3.6.2.