Исследование теплоотдачи между вращающимися валами трансмиссий ТРДД


ISSN 0579—2975




         ИЗВЕСТИЯ
ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ





 TEXHUKA





                1994









f
КАЗАНЬ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ

Главный редактор М. Б. Вахитов      I
РЕДАКЦИОННАЯКОЛЛЕГИЯ                      |

Р. И. Адгамов, А. М. Ахмедзянов, А. И. Белоусов, А. И. Богомолов < главного редактора), И. С. Голубев ЮФ Гортышов, А. Г. ЮршкоА А. Ф. Гуров (зам. главного редактора), А. Н. Данилов, Г. Л. Дегярв\ И. М. Закиров, Н. Б. Ильинский, В. Г. Крюков, Н. К. Лисеицев BE \
В С Михин В. А. Павлов, В. И. Панченко, С. Б. Свирщ ьскац
А. А. Сергиенко, Т. К. Сиразетдинов, ГМ Ухова (⁰TBeTCTBeH¹tbI%^ⁱ^ тарь), И.X. Фахрутдинов, X. С. Хазанов, В. И. Колявко В. Д ^тасв
  Г В Шишов, А. В. Щукин зам. главного редактора), В. М. Янковский


КАЗАНСКИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А. И. ТУПОЛЕВА

Научно-технический журнал Издастся с марта 1958 г.
Выходит 4 раза в год

♦



            АВИАЦИОННАЯ



Г



            ТЕХНИКА



1 1994

     Журнал издается Казанским государственным техническим университетом при совом содействии Московского авиационного института, Самарского '.’полемического университета, Сибирской аэрокосмической академии, Уфимскогс дпрствениого авиационного технического университета.
                                          ••      Д     ■■ г  • у, .

     Журнал полностью переводится на английский язык и издается в США под назван! «Russian Aeronautics» издательством «Allerton Press».





ВНИМАНИЮ ДЕЯТЕЛЕЙ ПАУКИ И ТЕХНИКИ!
    При Казанском государственном техническом университете им. А. II. Туполева оргапиз! u ni пчучный семинар «Современные проблемы науки и iexnni<ii>.          ФЛггплАп9пй
    'Еа"а: философия и история науки и техники, энергетика и теплофизик,

420111 г Казань, ул. К. Маркса, 10. Ученому секретарю семипара Назыровои Р. (8432)’38-31-77.

(

Строительная механика и прочность летательных аппаратов

лаков В. В. Влияние дефектов на АЧХ виброграммы свободных колебаний элемента Ц конструкции ...................................................................
>кильев I. В., Катаев Ю. П. Аналитическое описание и прогнозирование релаксации напряжений авиационных материалов в условиях вибраций . .           .............
Кабаков С. В., Максименко В. Н. Прогнозирование роста усталостных трещин в клепаных панелях при нерегулярном нагружении..............................................


13

Динамика полета и управление летательными аппаратами

Романенко Л. Г. Выбор оптимальных параметров системы управления высотой полета при неполной информации о векторе состояния.....................................


17

Аэро- и газодинамика летательных аппаратов и двгагатежяй


Ьильчснко Н. Г., Гарае® К. Г., Дербенев С. А. К задаче оптимального управления пограничным слоем электропроводящей жидкости в магнитном ноле...................


Проектирование авиационных и ракетных двигателей

 мин О. И., Кузнецов В. И. Газотурбинные двигатели с форсированной степенью двухкон-турности за счет использования утилизирующего паротурбинного контура .

27

...’ а шов 9. М

                                                                                                             Теория авиационных и ракетных двигателей
Рхима А. А., Рубин А. Г. Об особенностях динамических процессов



  в твердых телах с изменяющейся границей при взаимодействии с интенсивными иотоками теплоты............................................................
и ь С. В., Сергиенко А. А. Предельные характеристики ракетного двигателя с турбонасосной системой нйдачи .......................................................

30

Редактор Р- Л. Трифонова

«    > В. Г., Наумов В. 1^., Котов В. Ю. Моделирование испарения диспергированного
жидкого компонента в химически активном газовом потоке.......................

 в В. И. Синтез оптимального закона наддува баков ЖРД.....................
I Н. И. Исследование теплоотдачи между вращающимися валами трансмиссий ТРДД .

34

38
42
49

       (ji.iuu ............— IV 11ОД11И.Ч.ИО К П-Ч..ГИ Г.> 01 01. Формаг (.ума.70X1» и....... ... Ул. 9 II.4IIII. 1.ЫСОНИЧ. Уел iK'i л. 11.8. Уел. кр. отг                    Уч изд. л. к

Покроем САПР, АСУ ТП, АСНИ при проектировании и производстве авиационной техники

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


1. Колесников К. С. Динамика ракет. М.: Машиностроение, 1980. 376 с.
    2.     Сиразетдинов Т. К. Оптимизация систем с распределенными параметрами. М.: Наука, 1977. 480 с.
    3.     Сиразетдинов Т. К. Устойчивость систем с распределенными параметрами. Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1987. 232 с.
    4. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М.: Наука, 1984. 832 с.
    5.     Рождественский Б. Л., Я н е н к о Н. Н. Системы квазилинейных уравнений и их приложение к газовой динамике. М.: Наука, 1968. 592 с.


Поступила в редакцию
06.07.93



УДК 621.438:536.24


ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ МЕЖДУ ВРАЩАЮЩИМИСЯ ВАЛАМИ ТРАНСМИССИЙ ТРДД


Н. Н. САЛОВ, доцент (СПИ, Севастополь)


     Экспериментально изучена теплоотдача цилиндрической поверхности между коаксиально расположенными валами в канале с геометрией, характерной для трансмиссий ТРДД при различном направлении вращения валов. Результаты опытов обобщены на основе теории подобия.


4 п-326


49

    В ТРДД валы, соединяющие турбины с компрессорами и вентилятором, испытывают значительные температурные напряжения, так как, вращаясь с большими угловыми скоростями, нагреваются трением о воздух и излучением от камер сгорания. В этих условиях их температурное состояние должно оцениваться исходя из граничных условий теплообмена в кольцевом канале при течении охлаждающего воздуха между вращающимися валами.
    В большинстве публикаций, анализируемых в работе В. К. Щукина «Теплообмен и гидродинамика внутренних потоков в полях массовых сил» (М.: Машиностроение, 1980), при исследовании теплообмена в кольцевом зазоре между вращающимися коаксиальными цилиндрами не учитываются конструктивные особенности трансмиссий аиационных двухвальных двигателей, в которых кольцевой канал между валами частично перекрывается ступицами дисков компрессора ВД и турбины ВД. Размер кольцевого зазора под ступицей турбины ВД иногда не превышает трех миллиметров. В связи с этим можно предположить, что структура течения охладителя и теплообмен между вращающимися валами подобны теплообмену в кольцевой полости с осевым течением охладителя, длина которой значительно больше ее высоты, т. е. L/B»L
    При обработке результатов экспериментальных исследований это предположение послужило основой для построения обобщающей зависимости. На рис. 1 представлена схема рабочего участка экспериментального стенда. Рабочий участок состоит из двух валов — наружного 1 и внутреннего 4. Оба вала имеют по две опоры с подшипниками качения. Наружная поверхность внешнего вала теплоизолирована. В наружный вал вставлены и закреплены диски 3 и вставка 2, изготовленные из текстолита. Вставка 2 перекрывает сечение канала подобно ступице диска турбины ВД. Внутри наружного вала между вставкой 2 и дисками 3 уложены восемь кольцевых плоских электрических нагревателей из стальной нержавеющей ленты, имеющих одинаковое омическое сопротивление. Электронагреватели изолированы от поверхности вала слоем текстолита толщиной 10 мм и параллельно включены в электрическую цепь. Электропитание к нагревателям подводится от генератора низкого напряжения мощностью 9 кВт. Обогрев внутреннего вала не предусматривался.


Рис. 1. Схема рабочего участка экспериментального стенда

    В качестве охладителя применялась дистиллированная вода, которая центробежным насосом прокачивалась между вращающимися валами и на входе в канал охлаждалась до 296 К. Расход воды составлял от 0,4 до 2,5 кг/с. Наружный и внутренний валы приводились во вращение двумя независимыми электродвигателями. Частота вращения наружного вала от 52 до 203 с⁻¹, внутреннего — от 52 до 314 с⁻¹. Направление вращения внутреннего вала могло изменяться.
    Температура поверхности электронагревателей измерялась термопарами типа ХА с диаметром электрода 0,2 мм. Свободные концы термопар подключались к ртутному токосъемнику. Термюэдс измерялась потенциометрическим прибором класса 0,25. В измерительную цепь включалась нуль-термопара. В опытах разность между количествами теплоты, выделяемой электронагре
50

вателями, и теплоты, отводимой охладителем, не превышала 3%. Температурный перепад между наибольшей средней температурой электронагревателя и температурой охладителя на входе достигал 30°.
    Исследования позволили установить, что при вращении валов в одну сторону наибольшая температура наблюдалась у нагревателя, расположенного у диска 3, наименьшую температуру имел нагреватель рядом со вставкой 2. Эта неравномерность температуры по длине вала сохранялась независимо от частоты вращения валов, плотности тепловых потоков со стороны нагревателей и расходов охладителя. Исследования позволяют сделать вывод, что в трансмиссиях такой же конструкции при вращении валов в одну сторону вал, передающий крутящий момент от турбины ВД к компрессору ВД, будет иметь более высокую температуру в месте соединения вала с ротором компрессора ВД. Такое распределение температуры можно объяснить тем, что при внезапном расширении поток охладителя из кольцевого зазора между диском компрессора ВД и внутренним валом не может сразу занять всю площадь поперечного сечения между вращающимися валами. В опытах это наблюдалось практически по всей длине канала.
    Результаты опытов обобщены уравнением


где

                                                      Nu = cRe“’²Ra⁰J⁵Re"B о(1 +
                                                                                                              1-^ '

^-’^экв

Nu =

^еЧ>в.в —

^В.В ^в.в
V

Ra = GrPr;

Gr =

f 2 WH.B

4в₽(г-тВх)

&^H.B

V

2

V

гнй — радиус внутренней расточки наружного вала; гв.в — наибольший радиус внутреннего вала; (он.в, сов.в— угловые скорости вращения наружного и внутреннего валов; б/экв — эквивалентный диаметр кольцевого канала между внутренним валом и центральным отверстием в ступице диска 3; L — длина полости наружного вала (расстояние между диском последней ступени компрессора ВД и ступицей диска турбины ВД); Хт — текущая координата, начало которой берется от диска последней ступени компрессора ВД; w — среднемассовая осевая скорость охладителя в кольцевом канале; Т — температура поверхности электронагревателя; Гвх — температура охладителя на входе в рабочий участок; а — коэффициент теплоотдачи; X, j3, v — коэффициенты теплопроводности, объемного расширения и кинематическ®й вязкости охладителя.
    В формуле (1) постоянный сомножитель с и показатели степени пит выбираются из таблицы в зависимости от участка трансмиссии и числа Re осевого потока охладителя. Формула (1) получена при 5- 10³^ Re?^ 1,3-10⁴;

1 + Хт/£

1,5...2
1,01...1,5
1,5...2
1,01...!,5

  Re2      С     п  
<8,5-ГО3 0,058  0,23
<8,5-103 0,077  0,23
>8,5-103 0,0355 0,27
>8,5-103 0,047  0,27

0,8 0,15 0,8 0,15

2,7-10'°<Ra^l,85-10"; 2-10⁵<Re^C

1,25-10⁶; 0s^XT/LCl- При враще
нии валов в одну сторону влияние скорости осевого течения охладителя может быть оценено показателем степени при числе Re, равным 0,2 во всем диапазоне исследований (рис. 2). Показатель степени при числе Рэлея оставался равным 0,15 по всей длине трансмиссии независимо от направления и частоты вращения валов.

4*

51

Рис. 2. Влияние скорости течения охладителя на теплоотдачу между ва лами.
При противоположном вращении валов: --------Re<pH в = 1,4 • 10⁶;--— КеФив> 1,4-10⁶. При вращении валов в одну сторону (---------Re<pK g
   1,4 • 10⁶; XT/L = 0,06) значение Re. : •— 2,Ь 10⁵; О — 4,15-10⁵; V- 6,2-10⁵; X — 8,3-10⁵; Л-10,4Х ХЮ⁵; △ — 1,24-10⁶

Рис. 3. Влияние вращения внутреннего вала на теплоотдачу между валами.
   При противоположном вращении валов: ---- —Re<p = 1,4-10⁶;-----Re<pH в> 1,4- Ю⁶. " °
   При вращении валов в одну сто-рону (Re<pH B> 1,4-10⁶,----XT/L =

        0,94;— . —---Xy/L = 0,06) значение
        Re?: ф—2-10³; □ — З-Ю³; V—5,2х 10³; е—6,5.10³; О — 8,6-10³; ®-1,3-10⁴


    Опытами установлена зависимость теплоотдачи от «вращательного» числа Re внутреннего вала и расхода охладителя (рис. 3). Как видно из рис. 3, эта зависимость при вращении валов в одну сторону сравнительно невелика и может быть учтена введением в обобщающее уравнение множителя Re$B²B. С увеличением скорости осевого протока охладителя при числах Rez^8500 показатель степени при КеФв ввозрастал до 0,27.
    Изучение закономерностей теплообмена между противоположно вращающимися коаксиальными валами является важным для оценки температурного состояния трансмиссий роторов ТРДД с биротативными турбинами. При вращении валов экспериментального стенда в противоположном направлении в начале и в конце канала возникали два участка (рис. 1, X и /). Температура теплоотдающей поверхности наружного вала между этими участками оставалась постоянной по длине канала, в то время как на участках X и Y температура цилиндрической поверхности снижалась в местах соединения вала с дисками до минимальных значений.
    Исследования показали, что длины участков цилиндрической поверхности, где снижалась температура, оставались неизменными: длина участка X со стороны входа охладителя 105 мм, участка Y со стороны выхода охладителя 75 мм. Участок X наблюдался во всех опытах, участок Y образовывался только при Re<pHB> 1,4-10⁶. При Re<pHB = 1,4-10⁶ температура исследуемой цилиндрической поверхности на участке Y была такой же, как и в центральной части наружного вала. Влияние скорости прокачки охладителя на теплоотдачу между противоположно вращающимися валами зависит от скорости вращения внутреннего вала. Как видно на рис. 2, при Re<pBB^8,3.10ь показа
52