Диссертация (781919), страница 37
Текст из файла (страница 37)
Самым продолжительным этапом являетсяпроцесс изготовления образца, поскольку при сложившейся практике проектирования его изготовление, как и в серийном производстве, осуществляется методом литья по выплавляемым моделям, который требует проведения обширного комплекса работ по технологической подготовке производства, включающей как выпуск технологической документации, так и изготовлениенеобходимой оснастки.
Достигнутые успехи в развитии аддитивных технологий производства,в частности технологии селективного лазерного спекания металлических порошков, создалипредпосылки для существенного сокращения продолжительности разработки теплонапряженных деталей посредством применения SLM-технологий на этапе изготовления опытных образцов для проведения стендовых испытаний вместо технологии литья по выплавляемым моделям.4.1 Методика проектирования охлаждаемых теплонапряженных деталей с опережающийверификацией тепловых и гидравлических моделейРазработка методики проектирования теплонапряженных деталей осуществляется на примере наиболее нагруженного элемента высокотемпературной турбины – охлаждаемой рабочейлопатки.
Основной задачей усовершенствования методики является сокращение сроков разработки детали за счет применения опережающей верификации расчетных моделей (тепловой игидравлической), подтверждения работоспособности конструкции и эффективности принятыхпроектных решений на основе испытания прототипа, изготовленного по SLM-технологии.Предлагаемая методика проектирования системы охлаждения лопатки представлена в видеблок-схемы на рисунке 4.1 [265, 267, 305, 306, 307].23718Верификациятеплогидравлическоймодели∆ TbiИзготовление иэкспериментальныеисследованиямоделей каналовохлаждения2TaiGai Reai1Варьированиепараметрами M(x,y)модели3ГидравликаGgPbiРасчетобтеканияGaiReaiTgiRegi λgiОтносительныйрасход воздуха15Испытаниепрототипа лопаткидля верификациимоделей6Граничные условия(внутренние)Gai Reai414Принятиерешения1716Расчет тепловогосостояния длямодельных условий αaiαaiTaiВыбор материала.Изготовлениепрототипа лопатки7TbiРасчет полейтемпературσTiαgi Tgi5РасчетсуммарныхнапряженийГраничные условия(внешние)13Ga/Gg1112АнализрезультатовРасчеттермическихнапряженийCiЗапаспрочностиσ∑i89M(x,y)Смещениекоординатыцентра масс10Разработка конструкторской документацииРисунок 4.1 – Блок-схема методики проектирования лопаткиОсновными критериями, по которым можно судить о работоспособности и эффективностиразработанной конструкции системы охлаждения лопатки, является коэффициент запаса прочности и относительный расход воздуха, достаточный для обеспечения рабочего уровня температуры металла детали.
Поэтому методика включает два взаимосвязанных модуля – тепловой,позволяющий производить моделирование теплового состояния, и прочностной.Исходными данными для блока 1 являются геометрические параметры каналов и интенсификаторов теплообмена, которые могут быть выбраны на основе анализа прототипов или из результатов исследования теплоотдачи. Выбор типа интенсификаторов и определение их ключевых характеристик может быть при необходимости реализовано путем проведения дополнительных экспериментальных исследований моделей отдельных участков каналов охлаждения(блок 2), которые могут быть изготовлены по SLM-технологии в полном соответствии с геометрией внутренней полости исследуемого участка тракта охлаждения, что позволит получитьдостоверные данные для разработки гидравлической (блок 3) и тепловой моделей (блок 6).Предлагаемый подход позволит существенно повысить качество создаваемых расчетных моделей. Блок 7 обеспечивает моделирование температурных полей в сечениях лопатки при различных режимах.
Исходными данными для моделирования распределения температур в сеченииявляются внешние граничные условия, формируемые в блоке 5 на основе результатов гидравлических (блок 3) и аэродинамических (блок 4) расчетов.238Прочностной модуль проектирования состоит из четыре блоков. Блок 8 служит для определения термических напряжений в сечениях лопатки, обусловленных неравномерным распределением поля температур в сечении. Расчетный блок 9 позволяет определить суммарные напряжения, вызванные центробежными нагрузками и нагрузками от газовых сил. Исходной информацией для моделирования являются выходные данные блока 8, а также газовые нагрузки, частота вращения ротора, характеристики материала и геометрические параметры лопатки. Блоккомпенсации изгибных нагрузок (блок 10) предусматривает возможность изменения положенияцентра масс сечений лопатки с целью компенсации действующих изгибных напряжений от газовых и термических нагрузок.
На основе данных о температурном состоянии лопатки и результатов прочностного анализа рассчитывается распределение коэффициента запаса прочности в сечениях лопатки (блок 11).Располагая данными об относительном расходе воздуха и коэффициенте запаса прочности,а также информацией о температурном поле лопатки, принимается решение о соответствии системы охлаждения заданным требованиям (блок 14). В случае несоответствия требованиям технического задания на основе анализа запасов прочности в сечениях лопатки вносятся изменения в геометрию охлаждаемых каналов с целью корректировки температурного поля.После принятия решения о соответствии разработанной лопатки заданным критериям доначала выпуска конструкторской документации на основе электронной модели детали осуществляется выбор материала (блок 15) и изготовление по SLM-технологии прототипа лопатки,предназначенного для проведения тепловых и гидравлических испытаний (блок 17).
По результатам проведенных испытаний осуществляется верификация гидравлической и тепловой моделей охлаждаемой лопатки (блок 18).Достоинством применения аддитивных технологий для прототипирования является возможность быстро изготовить образец, готовый для проведения испытаний: с отверстиями длязамера статического давления, фланцами для подсоединения к рабочему участку испытательного стенда, что практически исключает необходимость выполнения работ по препарировке. Образец может быть изготовлен как в масштабе, так и в натуральную величину [307].Верификация тепло-гидравлической модели проводится в блоке 18 посредством сравнениярезультатов испытаний прототипа с расчетными значениями.
В случае выявления недопустимых отклонений проводится уточнение гидравлической и тепловой модели, осуществляется доработка конструкции, после чего процедура верификации повторяется.Критериями верификации расчетных моделей в части гидравлики выступают расход воздуха через лопатку в изотермических условиях, когда температура воздуха равна температуре лопатки (холодная продувка); расход воздуха при подогреве, когда температура охлаждающеговоздуха, подаваемого во внутренние полости лопатки, ниже температуры лопатки (горячая239продувка); значения статического давления в узловых точках гидравлической сети. Как холодные, так и горячие продувки осуществляют для нескольких режимов работы, характеризуемыхперепадом давления на лопатке, который варьируется в диапазоне от 1 до 1,5 от расчетногозначения перепада.
На основании серии продувок строятся расходные характеристики лопатки,представляющие собой зависимости расхода от перепада давления. Аналогичные зависимостистроятся на основании результатов математического моделирования. Считается допустимымотклонение расчетного значения расхода от замеренного в ходе эксперимента, не превышающее ±5 %. Также в ходе эксперимента производятся замеры статических давлений в контрольных точках гидравлической сети и осуществляется сравнение полученных данных с расчетными значениями. Относительная разница между расчетным и экспериментальным значениемдавления также не должна превышать 5 %. Такое отклонение расходов и давлений вызываетотклонение коэффициентов теплоотдачи не более ±3,6 %, что является вполне допустимым.Как было показано в главе 1, в ходе анализа методов верификации тепловых моделей, целесообразным для экспериментальных исследований конвективных систем охлаждения являетсяметод калориметрирования в жидкометаллическом термостате.
Верификация тепловых характеристик лопатки проводится путем сравнения расчетного распределения плотности тепловогопотока по наружной поверхности пера лопатки qр, определенного для модельных условий, ираспределения плотности теплового потока, определенного на основе экспериментальных исследований qц. Сравнение тепловых потоков позволяет учесть все параметры, определяющиетемпературное состояние пера лопатки в условиях эксплуатации, включая расход и температуру охлаждающего воздуха, коэффициенты теплоотдачи от внутренней поверхности к хладагенту с учетом особенностей геометрии теплопередающей поверхности.При определении теплового потока qр в модельных условиях жидкометаллического термостата на наружной поверхности лопатки задается температура tл, равная температуре кристаллизации цинка tкр = 692,4 К (граничные условия первого рода), а условия теплообмена со стороны охлаждающего воздуха задаются в виде его температуры и коэффициента теплоотдачи αв(граничных условий третьего рода).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
