Введение к работе
Актуальность работы
Газотурбинные двигатели (ГТД) являются наиболее эффективными в своём классе машинами с точки зрения термодинамического цикла. Высокая удельная тяга (мощность) и экономичность обуславливают их лидерство в области военной и гражданской авиации. Кроме того, в последние годы они получают всё более широкое распространение в качестве двигателей наземного и морского транспорта, приводов газоперекачивающих агрегатов и электростанций.
Тем не менее, как и любая машина, газотурбинный двигатель обладает определёнными конструктивными недостатками. Одним из таких недостатков является наличие в проточной части лопаточных машин (компрессоров и турбин), входящих в конструкцию двигателя, радиальных зазоров между деталями ротора и статора. Наличие этих зазоров приводит к образованию утечек рабочего тела и потерь энергии, которые, в свою очередь, негативно и весьма существенно влияют на такие важные характеристики двигателя, как удельная тяга, удельный расход топлива, газодинамическая устойчивость, экологичность и уровень шума. Конкуренция на рынке газотурбинной техники вызывает необходимость непрерывного повышения характеристик как эксплуатируемых, так и новых образцов двигателей. Уменьшение радиальных зазоров является одним из наименее затратных путей решения этой задачи. Однако, как показывает практика, чрезмерное уменьшение зазоров может в конечном итоге вызвать контакт ротора и статора, что чревато возникновением аварийной ситуации.
В силу указанных обстоятельств, диссертационная работа посвящена созданию комплекса методов и средств обеспечения минимально допустимых радиальных зазоров, обеспечивающих наиболее высокие характеристики ГТД.
Цель работы - расчётное определение и технологическое обеспечение минимальных радиальных зазоров в конструкциях компрессоров и турбин на стадиях проектирования, производства и эксплуатации газотурбинных двигателей.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи.
-
Анализ существующих способов расчёта, выбора и обеспечения минимальных радиальных зазоров, определение их возможностей и недостатков.
-
Разработка математической модели и методики, позволяющей на этапе проектирования двигателя исследовать динамику изменения радиальных зазоров с учётом тепловых и силовых деформаций конструкции лопаточных машин.
3. Разработка технологических и организационных решений, направленных
на повышение точности выполнения радиальных зазоров при сборке двигателя.
4. Разработка математической модели и методики для оценки эксплуата
ционных изменений радиальных зазоров с учётом процессов износа и ползуче
сти материалов, разработка решений по сохранению минимальных значений
радиальных зазоров в процессе эксплуатации двигателя.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Математическая модель и методика для проектного исследования динамики изменения радиального зазора в рабочем (полётном) цикле двигателя с учётом тепловых и силовых деформаций конструкции лопаточных машин.
-
Способы сборки лопаточных машин, позволяющие повысить точность выполнения радиальных зазоров путём технологической компенсации и пригонки.
-
Математическая модель и методика для оценки эксплуатационных изменений радиального зазора под действием процессов износа и ползучести.
Общая методика исследований
Работа основана на теоретических методах исследования. При разработке математических моделей использовались известные закономерности в области теплообмена, теоретической механики и сопротивления материалов, теории упругости и пластичности, теории фреттинг-процессов. Предложенные способы сборки подчиняются современным теориям размерных взаимосвязей.
Научная новизна
Разработана математическая модель для проектного исследования динамики изменения радиальных зазоров в рамках рабочего (полётного) цикла двигателя с учётом воздействия на детали лопаточных машин температурных и силовых факторов. Модель отличается от аналогичных существующих решений меньшей погрешностью расчётов благодаря учёту неравномерности температурных полей и деформаций замковых соединений, а также возможностью её применения для расчёта как турбин, так и компрессоров.
Существующие теории фреттинг-износа, низко- и высокотемпературной ползучести материалов интерпретированы в виде математической модели, предназначенной для проектной оценки изменений радиальных зазоров в конструкциях лопаточных машин в процессе эксплуатации двигателя.
Практическая ценность и реализация результатов работы
Предложенные методики исследования динамики изменения радиальных зазоров в рабочем (полётном) цикле и в процессе эксплуатации двигателя позволяют с приемлемой для проектных расчётов степенью точности определять минимально допустимую величину радиального зазора в ступенях лопаточных машин по условию отсутствия контакта элементов ротора и статора двигателя на наиболее опасных рабочих режимах в рамках заданного межремонтного ресурса.
Предложенные способы сборки позволяют посредством технологической компенсации и пригонки сократить до минимального уровня погрешности выполнения расчётных минимальных значений радиальных зазоров в рамках отдельных ступеней компрессоров и турбин, а также ограничить возможность накопления погрешностей при сборке многоступенчатых конструкций, тем самым сокращая разброс характеристик двигателей в рамках производственной партии, возникающий по технологическим причинам.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: международная молодёжная научная конференция «XXXVI Гагаринские чтения», г. Москва, РГТУ «МАТИ», 6-10 апреля 2010 г.; международный молодёжный форум «Будущее авиации за молодой Россией», г. Москва, ВВЦ, 16 апреля 2010 г.; «64 региональная научно-техническая конференция студентов, магистрантов и аспирантов», г. Ярославль, ЯГТУ, 20 апреля 2011 г.; международном научно-техническом семинаре «Современные технологии сборки», г. Москва, МГТУ «МАМИ», 20-21 октября 2011.
Проект, выполненный по результатам работы, был отмечен медалью «За успехи в научно-техническом творчестве» всероссийской выставки научно-технического творчества молодёжи «НТТМ-2011», г. Москва, ВВЦ, 28 июня - 1 июля 2011 г.
Автором диссертации выполнялись научно-исследовательские работы в рамках Федеральной целевой программы Министерства образования и науки РФ «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе 4 - в изданиях, рекомендованных для печати ВАК Российской Федерации, получен 1 патент на полезную модель и 1 положительное решение о выдаче патента.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе и списка использованных источников. Объем работы - 155 страниц машинописного текста, включающего 80 рисунков, 6 таблиц, 92 формулы, список использованных источников из 135 наименований.
Похожие диссертации на Конструкторско-технологическое обеспечение минимальных радиальных зазоров в лопаточных машинах на основных стадиях жизненного цикла ГТД
