Лекция№11

Лекция №11. Автоматизированное проектирование турбины

Математическое моделирование турбины

При автоматическом проектировании особенности находят отражение в математических моделях.

В зависимости от полноты и формы исходной информации о моделируемой системе математические модели могут быть: эмпирическими, детерминированными, вероятностными и смешанными.

Второй уровень модели на этапе эскизного проектирования – это независимые комплексы модели проектирования основных узлов. Использовать эти модели можно:

1. В качестве самостоятельных комплексов для проектировочных расчётов конкретного узла.

2. В итерационной взаимосвязи с комплексом модели верхнего уровня проектирования двигателя.

По глубине описания физических процессов эти модели должны быть на более высоком уровне, поэтому требуют большие ресурсы.

Процедуры, используемые при проектировании турбины:

1. Газодинамический расчёт турбины

2. Расчёт охлаждения лопаток и дисков

3. Проектирование рабочих лопаток

4. Расчет характеристик турбины

5. Определение температуры корпусных деталей

6. Проектирование корпусных деталей

7. Проектирование СА

8. Проектирование бандажной полки

9. Проектирование профильной части лопатки

10. Проектирование замкового соединения

11. Определение собственных частот колебания РЛ

12. Профилирование наружных обводов лопатки

13. Проектирование диска минимальной массы

14. Проектирование дефлекторов диска

15. Проектирование лабиринтных устройств и определение осевых усилий

16. Проектирование валов

17. Проектирование подшипниковых узлов

18. Проектирование цапф

19. Визуализация конструктивной схемы турбины

20. Процедура печати исходных данных и результат

21. Процедура графической интерпретации результатов проектирования

22. Вывод результатов.

Последовательность выполнения и взаимосвязь процедур представлена на блок схеме

Эти процедуры реализуются математическими моделями, описывающими рабочие процессы в том или ином узле. Газодинамические процессы расширения рабочего тела в проточной части описываются математической моделью «проточная часть турбины».

Математическое моделирование проточной части

Математическая модель проточной части заключается в описании газодинамических процессов и может быть использована для 1, 2-х и 3-х вальных турбин.

Исходные данные:

1. Схема турбины

2. Число каскадов

3. Число ступеней в каскаде

4. Параметры, поступающие из модели ГТД

а) мощность турбины N_т

б) расход газа на вход в 1-ю ступень G_гI

в) частота вращения n

г) давление на входе в 1-ю ступень P_o^*

д) температура газа на входе в 1-ю ступень T_o^*

е) давление воздуха P_в^*

ж) температура воздуха Т_в^*

з) относительный расход до и после горлового сечения

Управляющие параметры:

1. Геометрические параметры венцов

а) диаметры

б) высоты лопаток

в) хорды лопаток

г) максимальный шаг решёток

д) длины среднй линии

е) масимальные площади проходных сечений

2. Число лопаток

3. Углы натекания потоков

4. Угол установки лопатки 

5. Приведённые скорости

6. КПД турбины

7. Ориентировочная масса турбины

Рабочие процессы в турбине описываются уравнениями:

1. Уравнение неразрывности для сечения в осевом зазоре

2. Уравнение энергии вдоль линии тока

3. Уравнение смещения потока с охлаждающим воздухом

4. Уравнение процесса калорически совершенного газа

5. Уравнение состояния

6. Уравнение Эйлера

Дополняют математическую модель эмпирические и статические зависимости коэффициентов потерь: кромочных, профильных, на трение и т.д., а также зависимости геометрических параметров турбины от термогазодинамических.

Блок-схема модели приведена на рисунке:

Все современные турбины полноразмерных ГТД выполняются охлаждаемыми. В настоящее время существует большое число конструктивных схем систем охлаждения. Их выбор и расчет достаточно сложен. Автоматизацию проектирования системы охлаждения обеспечивает специальная математическая модель.

Математическая модель охлаждения турбины

1. Описывает процесс охлаждения лопаток и дисков турбины

2. Позволяет выбрать систему охлаждения лопаток и дисков

3. Позволяет найти параметры и расход воздуха для обеспечения заданного поля температур лопаток, обода, замков и ступицы дисков

Напряжение в лопатках от внешних сил находятся при помощи модели «прочность лопаток». По этим напряжениям в соответствии с требуемым запасом прочности и жаростойкости материала определяется допустимые температуры лопаток.

Расчёт проводится для среднего сечения лопатки.

Исходные данные:

1. геометрические характеристики проточной части в целом и конкретного по каждому венцу

2. результаты термогазодинамического расчёта, т. е

3. Статические данные описывающие существующие системы охлажения

,

- коэффициента гидравлического сопротивления лопаток

- коэффициенты окружных и радиальных неравномерности температур.

Выходные данные:

1. тип системы охлаждения

2. параметры охлаждающего воздуха в точке отбора

3. параметры охлаждающего воздуха на входе в лопатку

4. характеристики выбранного типа охлаждения

5. температуры замка лопатки, обода и ступицы диска

При выборе системы охлаждения перебираются в порядке возрастания сложности конструкции и трудоемкости изготовления

Система уравнений для расчёта охлаждения включает:

1. Уравнения определения глубины охлаждения кромки лопатки и средней глубины охлаждения самой лопатки.

2. Уравнения гидравлического баланса давлений

Выбор системы охлаждения и величины относительного исходя из потребных глубин охлаждения кромки лопатки и средняя

Математическая модель рассматривает 3 типа подвода воздуха к лопатки:

1. непосредственная подача в околодисковую полость

2. подвод с помощью специального дефлекторного диска

3. подвод с помощью аппарата спутной закрутки

При выборе системы охлаждения – схемы:

1. С радиальными каналами

2. С полупетлевой схемой течения воздуха

3. Дефлекторные лопатки

4. Конвективно-плёночное охлаждение

Работа системы по блок-схеме:

1. ввод и подготовка исходных данных, предварительный выбор места отбора воздуха

2. выбор типа подвода охлаждающего воздух к лопатке и расчёт параметров воздуха

3. лопатка охлаждаемая?

4. оценка расхода охлаждаемого воздуха

5. тип охлаждения лопатки правилен

6. расчёт гидравлики лопатки, блок контроля типа охлаждения лопатки

7. лопатку охладить можно?

8. тепловой расчёт системы охлаждения

9. теплообменник необходим?

10. расчёт теплового состояния диска, окончательный выбор места отбора охлаждаемого воздуха в компрессоре

11. формирование результатов расчёта

12. тепловой расчёт с подключением теплообменника.