Диссертация (781919), страница 40
Текст из файла (страница 40)
Химических состав материала представлен в таблице 4.1. Величина шероховатости наружной поверхности порезультатам измерения составила Ra = 5,67 мкм и Rz = 27,67 мкм. В результате анализа геометрии и размеров внутренних каналов установлено соответствие изготовленного прототипа разработанной электронной модели.Рисунок 4.16 – Трехмерная модель прототипаРисунок 4.17 – Прототип лопатки, изготов-рабочей лопаткиленный по SLM-технологииСистема каналов внутренней полости лопатки моделировались в виде эквивалентной гидравлической сети, приведенной на рисунке 4.18. Входным является узел 30, выходным – узел89. Задавая давление в этих узлах, определялся перепад давления в тракте охлаждения.255Рисунок 4.18 – Эквивалентная расчетная гидравлическая сеть прототипа лопаткиГрафическое представление тепловой модели системы охлаждения приведено на рисунке4.19.С целью последующей верификации разработанной модели расчеты проводились для перепадов давлений, соответствующих модельным условиям испытаний, а температура стенки задавалась равной температуре кристаллизации цинка.
Подогревы воздуха в каналах Δtв определялись по уравнению теплового баланса (4.11) для каждого канала тракта охлаждения.∆∑вр∙где Gi – расход воздуха в канале, кг/с;Ср = f(tвi) – теплоемкость воздуха, кДж/(кг·К)., (4.11)256Рисунок 4.19 – Графическое представление тепловой модели системы охлажденияНа основе расчетов, проведенных по разработанным гидравлическим и тепловым моделям,получены зависимости изменения расхода охлаждающего воздуха через лопатку при различныхперепадах давления, а также определено распределение плотности теплового потока по поверхности лопатки при различных перепадах давления. Аналогичные данные получены в результатепроведения экспериментальных исследований прототипа, изготовленного с применением аддитивных технологий. Отличие полученных расчетным путем расходных характеристик и характеристик, определенных экспериментально (рисунок 4.20) не превышает 3 %, что позволяетсделать вывод об адекватности расчетной гидравлической модели по параметру суммарногорасхода воздуха.На рисунке 4.21 показано распределение плотности расчетного qр и экспериментальноустановленного qц теплового потока в среднем сечении 3 модели при двух значениях перепададавления, равных 1,48 и 1,97.25787G, г/с65432111,11,21,31,41,51,61,7p/p0расчетные данные1,81,922,12,22,32,4экспериментальные данныеРисунок 4.20 – Расходные характеристики лопаток, полученные при холодных продувках450400350q, кВт/м230025020015010050-50-40-30-20-10l, мм120310203041, 2 – экспериментальные данные; 3, 4 – расчетные данные; 1, 3 – р/р0 = 1,48; 2, 4 – р/р0 = 1,97Рисунок 4.21 – Распределение плотности теплового потока по поверхности сечения 3На рисунке 4.22 приведено отношение тепловых потоков qц/qр в сечении 3 для двух перепадов давления.
Определив для каждой точки поверхности допустимую величину отклонения(qц/qр)доп для допустимого отклонения температуры поверхности лопатки, которое в условиях258эксплуатации, как правило, составляет ±10 К, на основе приведенной зависимости могут бытьопределены зоны несоответствия тепловой модели экспериментальным данным.1,51,4qц/qр1,31,21,110,9-50-40-30-20p/p0:-10l, мм1,4801020301,97Рисунок 4.22 – Распределение параметра qц/qр по поверхности лопатки в сечении 3С целью установления соответствия экспериментальных данных, полученных в результатеиспытания изготовленного по SLM-технологии прототипа, характеристикам реальной лопатки,изготовленной по серийной технологии литья по выплавляемым моделям, был проведен комплекс сравнительных испытаний, по результатам которых проведено сравнение расходных итепловых характеристик.Для проведения испытаний в жидкометаллическом термостате лопатка, изготовленная в серийном производстве, была доработана.
С целью уменьшения тепловой инерции был сошлифован замок, лопатка снабжена коллекторами для отвода воздуха, для замера температуры воздуха на входе и выходе были установлены экранированные хромель-копелевые термопары. Фотография препарированной лопатки приведена на рисунке 4.23.Расходные характеристики лопатки и прототипа, полученные в результате горячей продувки в расплаве цинка, представлены на рисунке 4.24.
Сравнение приведенных на графиках данных свидетельствует о большей пропускной способности лопатки, изготовленной по серийнойтехнологии, по сравнению с прототипом. При этом стоит отметить, что наибольшее отличиерасходов не превышает 5 % при максимальных перепадах давления, что обусловлено болеегладкой поверхностью каналов охлаждения лопатки, выполненной литьем.259Рисунок 4.23 – Препарированная для испытаний лопатка876G, г/с5432111,21,41,61,822,22,4p/p0прототиплопаткаРисунок 4.24 – Расходные характеристики прототипа и лопатки, полученные в результате горячих продувокТепловые испытания лопатки проводились на двух режимах, первый из которых соответствовал расходу воздуха 3 г/с, второй – 6 г/с.
Это позволило провести сравнение полей тепловых потоков прототипа и лопатки при различных режимах течения. Распределения плотностейтепловых потоков для различных сечений лопатки, полученные при испытаниях литой лопаткии изготовленного по SLM-технологии прототипа, при двух различных режимах течения приведены на рисунках с 4.25 по 4.29.260450400350q, кВт/м230025020015010050-50-40-30-20-10l, мм120310203041, 3 – прототип; 2, 4 – лопатка; 1, 3 – G = 3 г/с; 2, 4 – G = 6 г/сРисунок 4.25 – Распределение плотностей тепловых потоков в сечении 1400350300q, кВт/м225020015010050-50-40-30-20-1001020l, мм12341, 3 – прототип; 2, 4 – лопатка; 1, 3 – G = 3 г/с; 2, 4 – G = 6 г/сРисунок 4.26 – Распределение плотностей тепловых потоков в сечении 230261450400350q, кВт/м230025020015010050-50-40-30-201-100l, мм2310203041, 3 – прототип; 2, 4 – лопатка; 1, 3 – G = 3 г/с; 2, 4 – G = 6 г/с;Рисунок 4.27 – Распределение плотностей тепловых потоков в сечении 3500450400350q, кВт/м230025020015010050-50-40-30-20-10l, мм0102012341, 3 – прототип; 2, 4 – лопатка; 1, 3 – G = 3 г/с; 2, 4 – G = 6 г/сРисунок 4.28 – Распределение плотностей тепловых потоков в сечении 430262450400350q, кВт/м230025020015010050-50-40-30-201-100l, мм2310203041, 3 – прототип; 2, 4 – лопатка; 1, 3 – G = 3 г/с; 2, 4 – G = 6 г/сРисунок 4.29 – Распределение плотностей тепловых потоков в сечении 5Как видно из представленных на рисунках графиков, отличие значений плотности теплового потока q, полученные при испытании прототипа и серийной лопатки, на всех участках поверхности сечений не превышает 5 %.
Большие отличия наблюдаются только на участке щеливыходной кромки, что обусловлено отличием конструктивной реализации коллектора для отвода воздуха: выходная кромка лопатки, в отличие от прототипа, заглублена в коллектор.Совпадение распределения плотности тепловых потоков в контрольных сечениях и расходные характеристики, полученные при испытании натурной лопатки и ее модели (прототипа),подтвердили возможность проверки новых конструктивных решений и применяемых расчетных моделей, разрабатываемых и используемых при проектировании систем охлаждения теплонапряженных деталей на их прототипах, изготавливаемых по SLM-технологии.4.4 Оценка эффективности усовершенствованной методики проектирования теплонапряженныхохлаждаемых деталейОдной из основных целей усовершенствования методики проектирования теплонапряженных деталей являлось сокращение сроков создания высокотемпературных энергоустановок степлонапряженными охлаждаемыми деталями, проектирование которых является критическимэлементом процесса разработки.
Поэтому сравнение эффективности усовершенствованной ме-263тодики проектирования с существующей предлагается осуществлять по параметру временныхзатрат на реализацию комплекса проектировочных и доводочных работ, направленных на создание высокотемпературных турбин с охлаждаемыми проточными частями. Оценка эффективности в денежном выражении затруднительна и не является показательной, поскольку расходына разработку в большой степени зависят от организации труда, уровня технологической вооруженности предприятия изготовителя, наличия испытательной базы, уровня информатизациии ряда других, не связанных с разработкой напрямую факторов.С использованием данных, представленных в работах [311, 312], оставлен перечень операций, которые осуществляются до начала серийного производства охлаждаемых лопаток турбинпри использовании существующей и усовершенствованной методик проектирования теплонапряженных деталей, с указанием временных затрат на выполнение отдельных блоков работ,объединенных по принципу технологической общности (таблицы 4.2, 4.3).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
