Диссертация (781919), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Реальныелопатки имеют геометрию каналов, существенно отличающуюся от прямоугольных. Так, течение воздуха в задней полости полупетлевых лопаток меняет направление по высоте пера, коллекторный подвод воздуха в вихревые матрицы приводит к разным расходам воздуха со стороны спинки и корыта, наличие поворотов вызывает неравномерное распределение скорости воздушного потока на входе в радиальные каналы.
В большинстве случаев штырьки и ребра выполняются с наклоном к стенкам каналов, что определяется конструкцией подвижных элементов пресс-формы для формирования элементов керамических стержней.Перечисленные выше факторы могут приводить к тому, что разрабатываемая теплогидравлическая модель лопатки не позволяет в полной мере адекватно моделировать течение воздухаи процессы теплообмена на отдельных участках тракта охлаждения. В результате, расчетноетемпературное поле будет отличаться от температурного поля натурной лопатки.При проведении моделирования температурного состояния лопаток в современных программных комплексах точность получаемых результатов (их согласование с опытными данными) сильно зависит от выбранной модели турбулентности, густоты сетки [193, 194].На рисунке 1.48 представлены результаты сравнения расчетных и экспериментальных значений температур в среднем сечении исследуемой лопатки L͞ .
Отличие на отдельных участкахдостигает 30 °С при температуре газа на входе в лопаточную решетку в 614 °С.1 – Результаты эксперимента, проведенного ЦИАМ; 2 – RKE сопряженный подход;3 – RKE полусопряженный подходРисунок 1.48 – Температура лопатки по обводу профиляДля оценки результатов проектирования после изготовления лопатки по серийной технологии проводятся ее гидравлические и тепловые испытания для замера температуры поверхности64лопатки в газовом потоке и подтверждения расчетных запасов прочности в условиях эксплуатации.1.4.1 Методы верификации математических моделей теплонапряженных деталейВ практике создания охлаждаемых лопаток газовых турбин традиционным методом исследования их теплового состояния является испытание на газодинамическом стенде [195, 196]. Впроцессе экспериментов замеряется температура наружной поверхности лопатки в контролируемых точках пера и определяется зависимость относительной глубины охлаждения от относительного расхода воздуха через лопатку в соответствии с соотношением (1.2).Θгглв.вхв, (1.2)где Θ – относительная глубина охлаждения;tг – температура газов на входе в турбинную решетку, К;tл – температура наружной поверхности лопатки, К;tв.вх – температура охлаждающего воздуха на входе в лопатку, К;Gв – относительный расход воздуха, кг/с.Испытания лопаток на газодинамическом стенде проводятся в условиях, наиболее приближенных к натурным (без вращения), что позволяет определять температурное состояние с учетом особенностей внешнего обтекания пера газовым потоком.Программа испытаний включает холодные продувки для определения расходных характеристик системы охлаждения экспериментальных лопаток и давления в узловых точках, а такжегорячие испытания в составе пакета в потоке горячего газа, обеспечивающие оценку эффективности охлаждения лопаток.По результатам гидравлических испытаний и термометрирования производится верификация результатов гидравлических и тепловых расчетов [197].
На основе сопоставления расчетных и экспериментальных данных осуществляются изменения конструкции системы охлаждения лопаток турбины.Реализация данного метода испытания требует значительных затрат. Для проведения экспериментов используется сложная установка, размещенная в специальном помещении. Обслуживающий персонал должен иметь высокую квалификацию. Отбираются пять натурных лопаток, которые укомплектовываются воздухоподводящими магистралями и препарируются термопарами.65Для замера температур на газовом стенде может быть использован тепловизор [198]: в газовом тракте установки выполняется смотровое окно, закрытое материалом, пропускающиминфракрасное излучение (рисунок 1.49).Рисунок 1.49 – Схема рабочего участка газодинамического стенда со смотровым окномОкно тепловизора расположено за решеткой профилей, чтобы не вносить возмущений в газовый поток на входе в решетку.
При такой конструкции рабочего участка невозможно замерить температуру входной кромки и вогнутой части профиля.Окончательным этапом верификации теплогидравлических моделей лопатки является замер температуры на турбине. Компания Siemens для проведения таких испытаний широко использует кристаллические индикаторы максимальных температур [199, 200], обладающихбольшей точностью в области высоких температур и имеющих малые габариты и высокуюустойчивость к агрессивному воздействию факторов внешней среды.
Сам кристаллическийэлемент обычно имеет малые размеры – от 0,05 до 0,40 мм, что позволяет производить измерения температуры в большом количестве точек на поверхности лопаток. Однако замер температуры можно провести только на одном режиме работы турбины, при этом необходимо обеспечить отсутствие заброса температуры газа при выходе на режим испытаний.Следует отметить, что при измерении температуры лопатки, обтекаемой газом, на результат влияют как внешние, так и внутренние граничные условия теплообмена, что не позволяетотдельно верифицировать модель обтекания лопатки газом и теплогидравлическую модель системы охлаждения.В Московском авиационном технологическом институте (МАТИ) был разработан метод калориметрирования охлаждаемых лопаток в жидкометаллическом термостате. Метод позволяетв процессе эксперимента получить локальные значения плотности теплового потока в каждойточке поверхности лопатки [197].
Физической основой калориметрического метода являетсяэффект фазового перехода химически чистых металлов. Метод состоит в следующем: лопатка,укомплектованная коллекторами подвода и отвода охлаждающего воздуха, погружается в рас-66плав перегретого выше температуры кристаллизации чистого цинка; нагреваясь до его температуры, лопатка затем охлаждается вместе с расплавом до равновесного состояния при температуре кристаллизации цинка и продувается в течение заданного промежутка времени охлаждающим воздухом, после чего извлекается из расплава (рисунок 1.50). На наружной поверхностилопатки кристаллизуется корка металла, образованная в процессе отвода тепла к охладителю,проходящему через внутреннюю полость пера.Рисунок 1.50 – Метод калориметрирования в жидкометаллическом термостатеЭксперименты в цинке обычно проводятся в широком диапазоне перепадов давлений, приэтом замеряются расход воздуха через лопатку, температура воздуха на входе и выходе из пера.После проведения серии экспериментов корки, снятые с исследуемой лопатки, взвешиваются сцелью оценки качества проведения экспериментов по сходимости теплового баланса.При качественном проведении эксперимента разница значений отведенного от лопатки количества тепла, найденных по массе цинковой корки и замерам термопар, не превышает 8 %.После проверки сходимости теплового баланса корки размечаются и разрезаются по сечениям, принятым в программе исследований.
Обычно это сечения, совпадающие с поперечнымиконструктивными сечениями пера. Путем сканирования получают увеличенные в 8-10 разизображения цинковых корок. Использование увеличенных изображений позволяет существенно повысить точность измерения толщин корок.Плотность теплового потока для каждой расчетной точки поверхности лопатки находитсяпо формуле (1.3).ρк ∙∙τδкδнδкδн2∙ п, (1.3)67где q – плотность теплового потока, Вт/м2;ρк – плотность корки, кг/м3;L – теплота фазового перехода (кристаллизации), кДж/кг;τ – время, с;δк – толщина корки, м;δн – толщина корки, м;rп – радиус наружной поверхности пера, м;i – номер расчетной точки;«–» используется для точек вогнутой поверхности пера.Для определения значений локальных коэффициентов теплоотдачи к воздуху необходимознать температуру охлаждающего воздуха tвi.
Значение tвi рассчитывают по распределениюохладителя Gвi по каналам внутренней полости для условий испытания в термостате и решенияуравнений теплового баланса, составленных для отдельных участков поверхности лопатки, накоторых определены значения теплового потока.Коэффициент теплоотдачи к воздуху αвi определяют по формуле (1.4).αвкрв∙ф, (1.4)где αвi – коэффициент теплоотдачи к воздуху;tкр – температура кристаллизации цинка, °С;tвi – температура воздуха, °С;Кфi – коэффициент формы.Для каждой точки поверхности рассчитываются критерии Nuвi и Reвi, которые по методунаименьших квадратов аппроксимируются зависимостями вида (1.5).Nuв∙ Reв . (1.5)Погрешность определения локальных коэффициентов теплоотдачи составляет ±8 %. Важной особенностью метода является то, что все испытания проводятся при идентичной внешнейтепловой нагрузке, температура наружной поверхности лопатки равна температуре кристаллизации цинка 419,4 °С.Такой метод широко применяется для определения локальных коэффициентов теплоотдачив лопатках с конвективными схемами охлаждения.В работе [201] был разработан метод тепловизионного контроля температурного поля лопатки.
Лопатка обдувалась горячим воздухом и продувалась охладителем. С помощью теплови-68зора фиксировалось температурное поле наружной поверхности пера, термограммы записывались на компьютере для дальнейшей обработки. Термограмма лопатки представлена на рисунке1.51.Рисунок 1.51 – Термограмма лопатки и график распределения температуры по наружнойповерхности среднего сечения со стороны корыта (окно программы обработки)Метод отличается простотой проведения экспериментов и высокой информативностью.Данный метод может быть использован только для сопоставления теплового состояния лопаткис эталонной, так как внешний поток не моделирует обтекание лопатки газом.Проведенный анализ методов определения тепловых характеристик лопаток показал, чтодля верификации тепловой модели лопатки с конвективной системой охлаждения целесообразно использовать метод калориметрирования в жидкометаллическом термостате.
Он позволяетразделить внешнюю и внутреннюю задачи теплообмена и получить экспериментальные тепловые характеристики лопатки в строго идентичных условиях испытания. Для лопаток с конвективно-пленочным охлаждением необходимо проверять адекватность конвективной составляющей тепловой модели с последующим комплексным контролем в условиях газового потока.691.4.2 Анализ возможностей аддитивных лазерных технологий для изготовлениятеплонапряженных деталейОсновная сложность верификации полученных с использованием методов математическогомоделирования результатов заключается в необходимости получения натурного образца проектируемой теплонапряженной детали, который, как правило, изготавливается по серийной технологии литья по выплавляемым моделями.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
