Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Исследование теплоотдачи проставочных колец в полости ротора на переходных режимах работы ГТД

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 621784.01.99
Салов, Н.Н. Исследование теплоотдачи проставочных колец в полости ротора на переходных режимах работы ГТД [Электронный ресурс] / Н.Н. Салов // Изв. вузов. Авиационная техника. №2, 1999 / КАИ им. А.Н. Туполева. - с. 51-53. - ISSN 0579-2975. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/510515 (дата обращения: 29.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.

УДК 621.438:536.24

Н. Н. САЛОВ, доюп. техн, наук (СГТУ, Севастополь )





                Исследование теплоотдачи проставочных колец в полости ротора на переходных режимах работы ГТД




   Экспериментально исследована теплоотдача цилиндрических поверхностей во вращающейся полости с осевым течением охлаждающего воздуха применительно к лабиринтным и проставочным кольцам ротора ГТД дискобарабанной конструкции. Получены закономерности, по которым теплоотдача на цилиндрических поверхностях в полости ротора ГТД с осевым течением охладителя может быть рассчитана па переходных режимах работы двигателя.

   Известно, то за одни полег самолета количество переходов с одного режима работы двигателя на другой измеряется десятками и даже сотнями. В режимах перехода можно выделить процессы прогрева и остывания, которые для деталей ротора являются достаточно протяженными во времени по сравнению с временем, занимаемым приемистостью двигателя. Недостоверность сведении о температурном состоянии деталей ротора в условиях эксплуатации может привести к преждевременному их разрушению. Расчетные методы определения температурного состояния деталей ротора на переходных режимах часто недостоверны из-за отсутствия в настоящее время точных данных по граничным условиям теплообмена. Ограниченное число публикаций по этой проблеме объясняется значительными трудностями, с которыми приходится сталкиваться исследователю. Достаточно отметить, что обработка результатов термометрирования на переходных режггмах должна основываться на результатах исследований, выполненных на стационарных режггмах работы ГТД, которые в настоящее время изучены далеко нс полностью.
    С целью определения граничных условий теплообмена в полостях роторов ГТД на переходных режггмах работы двигателя был изготовлен рабочий участок экспериментального стенда, позволяющий моделзгровать состояние деталей роторов газотурбинных двигателей с различной приемистостью, разработаны схемы систем термометрирования и регистрации параметров работы стенда на нестационарных режимах, создана методика обработки результатов опытных данных.
    Рабочий участок экспериментального стенда представляет собой модель двух последних ступеней ротора осевого компрессора БД. Модель состоит из трех дисков: двух боковых, насаженных на вал, между которыми закреплен стальной обод, и центрального диска, установленного в середине рабочего участка. Внутри рабочего участка по образующей обода уложены грн плоских электронагревателя, изготовленные с одыыакопым омическим сопротивлением из стальной нержавеющей ленты. Центральный диск торцевой поверхностью плотно прижат к среднему электронагрева т елю, ч т о обеспечивало подвод теплоты к диску со стороны электронагревателя посредством теплопроводност и. К боковым электрон а тревателям плотно прижаты цилиндрические проставки, моделирующие проставочные кольца ротора компрессора БД. Центральный диск и прост авки от элсктропат ревателя изолированы тон
 t^yiSSN 0579-2975. Изв. вузов. Авиационная техника

ким слоем стеклоткани. В качестве термодатчиков применялись хромель-алюмелевые термопары, головки которых прпваривагпгеь контактной сваркой к поверхностям цилиндрических проставок передней и задней сторон диска. Вдоль оси вала прокачивался охладитель, в качестве которого применялись дистиллированная вода и сжатый воздух. Подробное описание конструкции рабочего участка экспериментального стенда приведено в работе [I].
    Закономерности изменения теплоотдачи цилиндрических поверхностей проставочных колец на переходных режимах изучались при разгптчных толщинах полотен стальных дисков: 14, 8 и 4 мм. Переходные режимы работы двигателей с различной приемистостью моделировались изменением тепловой нагрузки электронагревателей в течение 3, 5, 7, 10, 15 и 20 с пргг частоте вращения рабочего участка и = 104,72 с*¹; 157,08 с"¹ гг 209,44 с'¹. Расход охладителя при работе с дистиллированной водой составлял 0,806; 1,007 гг 1,343 кг/с; пргг работе с воздухом -6,5-10 ³ гг 0,01 м³/с. В режггмах прогрева опыты выполнены при отношениях максимальной тепловой нагрузки к минимальной в пропорциях 1,45; 2,2; 3 гг 5,34, в режимах охлаждения - 1,67; 2,36; 3,13 и 5,53. Per исграция показаний термопар на нестационарных режггмах осуществлялась измерительным цггф-ровым многоканальным преобразователем, который преобразовывал выходные аналоговые электрические сигналы датчиков температур, а также сигналы напряжения и силы постоянного тока в кодированный электрический сигнал. Кроме этого огг обеспечивал обмен информацией с ЭВМ, терминальными гг печатающими устройствами по стандартным интерфейсам с максимальной скоростью опроса 20 каналов в секунду. Показания термопар с интервалом между измерениями в 1,8 с распечатывались в виде графиков с координатами температура-время. Опытные значения числа Нуссельта для цилиндрических поверхностей проставочных когтей определялись в режимах прогрева охлаждения при работе с водой с интервалом в 10 с, при работе с воздухом -20 с. Интервалы времени, в которых определялись числа Нуссельта, ограничивались густотой сетки графиков, построенных по показаниям термопар, измеряющих температуру поверхности цилиндрических проставок.
     Если время, в течение которого изменялась тепловая нагрузка, совпадало с временем приемистости двигателя, го числа Нуссельта на этом участке переходного режима рассчитывались через одну-две секунды.

. 1999. №0

    Установлено, что время прогрева и охлаждения, при котором значения температур прост авок и дисков достигают 90% от значений соответствующих квазистационарному режиму, составило примерно 200...250 с при охлаждении полости водой, 610 с при прогреве и 900 с при охлаждении полости воздухом и определяется временем прогрева-охлаждения дисков, чго совпадает с результатами наблюдений, выполненных в работе [2].
    На рисунке представлен характер изменения относительной теплоотдачи цилиндрических проста, Nut>⁰ , _
вок в координатах 1g-------1g го при нспользоваNuₘᵢₙ
пии в качестве охладителя сжатого воздуха на режимах прогрева при различном времени изменения тепловой нагрузки электронагревателей рабочего участка. Установлено, что характер изменения относительной теплоотдачи одинаков для цилиндрических проставок, расположенных в полостях с передних и задних сторон дисков. Числа Nuₘₐₓ, Nuₘⱼₙ рассчитывались по опытным данным, соответствующим максимальной и минимальной тепловым нагрузкам переходного режима. Числа Nu'>ⁿ рассчитывались в режиме прогрева при изменении тепловой нагрузки с интервалом в 1+2 с и в режиме постоянной тепловой нагрузки с интервалом 20 с. Подобие физических полей во времени характеризует число Фурье, которое в нашем случае имеет вид Fo
               х . .
= —, где а = — - коэффициент темпсратуропро-г²            рс
водности материала цилиндрических проставок. В расчетах коэффициент температуропроводности принимался постоянным; г - внутренний радиус прост авочных колец; т - время.
    Обработка опытов с охлаждением водой и воздухом показала, что для стационарных режимов теплообмена опытные данные, полученные при использовании двух видов охладителей, описываются единой обобщенной зависимостью [1], позволяющей рассчитывать средние коэффициенты теплоотдачи на цилиндрической поверхности проставочных колец. На переходных режимах работы получить такую же обобщенную зависимость, описывающую температурное состояние проставочного кольца при охлаждении полости водой и воздухом, не представляется возможным из-за различия во времени прозе

кания процессов прогрева-охлаждения капельной жидкостью и воздухом, хотя вид закономерностей в коордпнатах lgNu’>⁰/Nuₘᵢₙ - IgFo для воды и воздуха имеег общий характер. В связи с этим в статье представлены результаты, полученные при охлаждении полости только воздухом.
    Как видно на рисунке, процесс прогрева цилиндрических проставок в переходном режиме подразделяемся на два этапа: 1-й этап прогрев, в котором время изменения тепловой нагрузки от минимальной до максимальной совпадает с временем приемистости двигателя; 2-й этап - прогрев, в котором тепловая нагрузка достигла максимального значения и остается постоянной до конца режима прогрева, т.е. до выхода па стационарный режим (составляет основное время прогрева проставочного кольца).
    Переменные числа Нуссельта Nut>⁰ на первом этапе рассчитываются в два приема. Вначале, исходя из известных Nuₘₐₓ и Nuₘᵢₙ, которые находятся по уравнениям для стационарного процесса [1] и приемистости двигателя тпр, определяется Fo перехода по формуле


        ег — д |Д| in-4. max              0,69!8    ztx
        * °перех 3,161-10 fff             ТПр .     (1)
                            \ INUmin )

    Если время, входящее в Foₙcₚcₓ т больше времени г,, при котором нас интересует величина Nut>⁰, то расчет Nu'>⁰ определяется по формуле
Nu’>⁰ = Nuₘᵢₙ-10",               (₂)
где
(Nut>⁰Y з,
(3)
IS* %

т₀ - время, с которого начинается увеличение Nut>⁰ по сравнению с Nuₘⱼₙ, т.е. когда Nu'>⁰ > Nuₘⱼₙ, определяется по формуле
/       4-1,2857
% = 0,42т°р⁴             •            (4)
Nuₘᵢₙ J

Изменение относительной теплоотдачи цилинд-' ричсских поверхност ей проставочных колец в полости ротора Г ГД с осевым течением охлаждающего воздуха в режиме прогрева двигателей с различной приемистостью:
     •• т„р = 3с; ---------•-------т„р=Юс;'
Ч = 5 с; -1—1—1—1- тпр= 20 с;
х данные, полученные при Nuₘₐₓ/Nuₗₙᵢₙ = l,62;l О то же, при Nuₘₐₓ/Nuₗₙᵢₙ = 1,51;
       • го же. при Niiₗₙₐₓ/NH„H₁₁ = 1,41;
            ------ । раницы ншервалов времени с раз-!
                личной ин।СНСИВНОСИ.1О прогрева .J

сти

где

Величина

определится по зависимо
с = 2955

fNuₘₐ/ \ ^^min >

3.089
       -0,922 тпр

(5)

(6)

    Если т, = т, то расчет' Nu,>⁰ осуществляется по зависимостям (5) и (6). Если т, > т, то числа Nu'>⁰ определятся по формуле

Nu,>⁰ = cFo$°’NUₙᵢᵢₙ,              (?)

где коэффициент с находится по зависимости (6).
    Второй этап прогрева включает три интервала времени: а, b и с, отличающиеся друг от друга интенсивностью теплообмена.
    Для интервала а, находящегося в диапазоне чисел Fo = «тпр/г² до 3,284-10“³, что соответствует интервалу времени от тпр до 25 с, расчег чисел NuI>⁰ производится по зависимости
Nut>⁰ = NuₘᵢₙcₙFo"⁰'⁰²¹⁷,        (8)

где

                        /      X 3.089
                        I Nu   1
с = 0,7811-----ma*. 1 .           (9)
                        lNuₘJ

    В интервале⁴'; находящемся в диапазоне чисел Фурье 3,284-10⁻³ < Fo < 0,08, что соответствуег интервалу времени от 25 до 610 с, числа Nut>⁰ определяются по формуле

Nu,>⁰ = Nuₘⱼₙc₍,Fo",           (10)


где

сь = 1,0964

( Numax \ Nuₘjₙ

-0.6367

(11)

   Показа гель степени при числе Fo определи гея по уравнению

п = 0,561225 0,6291575—2™х
Numin

+ 0,0702 ----max

(12)

   На 610-й секунде устанавливается стационарный режим, при котором NuT>⁰ = Nuₘₐₓ. Величина чисел Nuₘₐₓ определяется по уравнениям для стационарного процесса по максимальным параметрам режима npoipcna.
   Мет одика обработки опытных данных в режиме охлаждения проставочных колец в полости ротора принималась закон же, как и в режиме прогрева. Отличалась опа только тем, что относительная теп-лооогдача цилиндрических поверхностей проставочных колец в зависимости от чисел Фурье строилась в координатах

, NuT>l⁾ , _
1g—------lg Fo

по отношению к числам Нуссельта при максимальных параметрах режима прогрева, при этом процессы охлаждения протекают подобно зеркальным отображениям процессов прогрева. Принципиальным отличием у процессов охлаждения является то, что при сбросе тепловой нагрузки уменьшаются тепловые потоки. Вследствие этого снижается скорость циркуляции охладителя в полости, что, в свою очередь, приводит к увеличению времени установления стационарного режима в процессе охлаждения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
  1.   Салов Н И.. Вовк А.И., Калинин С.А., Тверская С.Е. Исследование теплоотдачи цилиндрических поверхностей проставочных колец в полости дискобарабанного ротора ГТД // Пзв. вузов. Авиационная техника. 1997. № 3. С. 75-78.
  2.   Михеенков Е.Л. Экспериментально-аналитический метод расчета температур диска турбины при циклическом изменении режима работы ГТД // Тепловое состояние охлаждаемых дегалей высокотемпературных ГТД / Казан, авпац. ин-т. Казань. 1984. С. 12-18.

Поступила в редакцию
15.01.98