Содержание к диссертации
Стр.
Введение. 4
ГЛАВА 1. Влияние радиального зазора на характеристики ГТД,
методы расчёта и регулирования. 8
Влияние радиального зазора на характеристики газовой турбины авиационного двигателя. 8
Методы и результаты расчётов величины радиальных зазоров. 21
Способы экспериментального определения величины радиального зазора на работающем двигателе. 33
Методы регулирования радиального зазора в компрессоре
и турбине. 41
1.5. Объект исследования -турбина высокого давления и система
регулирования радиального зазора двухконтурного двигателя РД 1700. 54
1.6. Цели работы и решаемые задачи. 59
ГЛАВА 2. Методика моделирования радиального зазора
по тепловому состоянию ротора и статора ГТД. 62
2.1. Анализ течения и выбор критериальных зависимостей
для расчёта граничных условий для элементов турбины. 62
Метод расчёта теплового состояния деталей двигателя. 90
Методика для экспериментальной проверки адекватности математической модели теплового состояния деталей двигателя. 97
Методика расчёта радиального зазора и оптимизации величины монтажного радиального зазора. 102
ГЛАВА 3. Методы экспериментального определения величины
радиального зазора на работающем двигателе. 110
Требования к измерительному устройству. 110
Конструкция оптической системы. 114
3.3. Разработка системы охлаждения и узла крепления
оптической системы эндоскопа. 118
3.4. Методика проведения и обработки экспериментов,
программное обеспечение. 133
3.5. Квалификационные эксперименты. 141
ГЛАВА 4. Исследование влияния радиального зазора ТВД
на характеристики двигателя РД1700. 151
4.1. Температурное состояние турбины на стационарных
и переходных режимах. 151
Влияние режимов и условий эксплуатации на величину радиального зазора турбины. 169
Исследование влияния величины радиального зазора ТВД
на тягу и КПД двигателя. 193
ГЛАВА 5. Регулирование радиального зазора. 209
Методика разработки мероприятий по регулированию радиального зазора. 209
Программа регулирования радиальных зазоров. 216
5.3. Оценка эффективности мероприятий. 247
Выводы. 265
Литература. 269
Приложение 2. 278
Приложение 4. 298
Приложение 5. 321
Введение к работе
Одной из основных задач при проектировании современных газотурбинных двигателей (ГТД) является повышение его коэффициента полезного действия. Эффективность газотурбинных двигателей в свою очередь сильно зависит от потерь энергии, вызванных наличием радиального зазора в компрессоре и турбине.
Поэтому существует необходимость в регулировании радиального зазора для того, чтобы его величина на всех режимах работы двигателя была минимальной, но достаточна для предотвращения врезания торца рабочей лопатки в детали статора.
Важное место в мероприятиях по регулированию радиального зазора занимает расчёт его величины на рабочих режимах двигателя. При этом расчётная методика должна позволять достаточно точно и достоверно определить величину радиального зазора, чтобы ещё на этапе проектирования задать оптимальную величину монтажного радиального зазора. Данная методика необходима также и при разработке мероприятий по регулированию радиального зазора.
Расчётное определение радиального зазора базируется на комплексе сложных теплогидравлических и деформационных моделей, а проверка точности получаемых результатов с помощью данных средств может быть осуществлена только прямым измерением величины радиального зазора на работающем двигателе. Для этого необходима методика измерения величины радиального зазора и средства её реализации в виде экспериментальной установки и программного обеспечения проведения эксперимента и обработки его результатов.
Целью настоящей работы является повышение эффективности ГТД путём оптимизации величины монтажного радиального зазора и регулирования радиального зазора в процессе эксплуатации. Для
достижения цели работы должна быть разработана инженерная методика расчёта величины радиального зазора для условий эксплуатации двигателя. Действенность разработанной методики определяется с помощью средств непосредственного измерения радиального зазора на работающем двигателе. На основе анализа результатов расчётных исследований величины радиального зазора должны быть определены пути регулирования радиального зазора и разработаны методы проектирования системы его регулирования.
Результаты исследований по созданию метода определения величины радиального зазора и способа его регулирования, а также экспериментальной проверке работоспособности разработанных методов изложены в пяти главах диссертации.
В первой главе проведён анализ зависимостей приведенных в научно-технической литературе, определяющих влияние величины радиального зазора на КПД двигателя для различных вариантов конструкции турбины.
Рассмотрены приведенные в научно-технической литературе методы расчётного определения величины радиального зазора, описаны их достоинства и недостатки. Проведен анализ закономерностей изменения радиального зазора приведенных в научно-технической литературе, которые получены в результате расчёта по приведенным методикам на нестационарных циклах работы двигателей. Определены интервалы нестационарных циклов, на которых наблюдаются минимальные и максимальные значения радиального зазора. Интервалы на которых расчётное значение радиального зазора минимально, представляют интерес как наиболее опасные из-за возможности врезания рабочих лопаток в детали статора.
Проведен анализ способов экспериментального определения величины радиального зазора на работающем двигателе, определены их
достоинства и недостатки, а также границы применимости. Изучены методы регулирования радиального зазора (пассивные и активные), а также влияние их внедрения на величину радиального зазора. Проведён анализ изменения величины радиального зазора за рабочий цикл до, и после внедрения системы регулирования радиального зазора.
Во второй главе разработана методика расчёта радиального зазора, включающая моделирование гидравлики и теплового состояния деталей ротора и статора газовой турбины.
Для определения теплового состояния ротора и статора двигателя разработана тепло-гидравлическая модель деталей турбины.
Созданная модель узлов ротора и статора ТВД использовалась для определения значений граничных условий третьего рода, необходимых для расчёта температурных полей деталей турбины. Разработана методика экспериментального определения температур деталей двигателя с целью определения адекватности созданной для расчёта его теплового состояния математической модели. Разработанная методика расчёта радиального зазора использует результаты расчёта теплового состояния деталей двигателя.
В третьей главе разработан метод дистанционного измерения радиального зазора в турбине высокого давления турбореактивного двухконтурного двигателя. Разработана методика проведения и обработки экспериментов, включающая в себя проверку работоспособности системы, а также монтаж измерительного устройства.
Проведены квалификационные эксперименты для проверки эффективности используемой методики, которые включают в себя замеры радиального зазора как с помощью жёсткого эндоскопа бокового зрения, так и методом истираемых щупов.
В четвёртой главе представлены результаты численных исследований влияния режимов и условий эксплуатации на величину
радиального зазора ТВД, а также результаты численных исследований влияния радиального зазора ТВД на характеристики двигателя.
В пятой главе разработаны и научно обоснованы мероприятия по регулированию радиального зазора ТВД РД1700 разработанные путём анализа расчётов величины радиального зазора для конструкции статора в исходной компоновке. По результатам анализа предложен вариант конструкции статора с пассивной системой регулирования радиального зазора.
Для разработки конструкции системы регулирования предложена упрощённая инженерная методика основанная на определении средней температуры силовой части корпуса турбины при которой обеспечивается величина радиального зазора равная монтажной. С помощью данной методики разработана система активного регулирования радиального зазора.
Проведено расчётное исследование влияния радиального зазора ТВД на характеристики двигателя для вариантов конструкции статора с пассивной и активной системой регулирования. На основании анализа эффективности различных вариантов конструкции сделан вывод о целесообразности внедрения разработанной системы регулирования.
На защиту выносятся:
методика расчёта теплового состояния деталей двигателя;
методика расчёта радиального зазора;
методика измерения величины радиального зазора с помощью жёсткого эндоскопа бокового зрения.
методический подход к разработке системы регулирования радиального зазора основанный на определении температуры статора при которой величина радиального зазора равна монтажной и проектировании системы охлаждения статора исходя из необходимости максимального приближения его теплового состояния к данной температуре.
