Уменьшение радиальной неравномерности температур дисков роторов транспортных газотурбинных двигателей


МППСТЕРСТВО ОСВ1ТИI НАУКИ УКРА1НИ НАЦЮНАЛЬНИЙ ТРАНСПОРТНИЙ УНИВЕРСИТЕТ



п

ТРАНСПОРТНА АКАДЕМЫ
УКРАШИ
ЗАХЩНИЙ НАУКОВИЙ ЦЕНТР

ПРОЕКТУВАННЯ, ВИРОБНИЦТВО ТА ЕКСПЛУАТАЦ1Я АВТОТРАНСПОРТНИХ ЗАСОБ1В I ПО13Д1В





                ЩОР1ЧНИЙ НАУКОВО-ВИРОБНИЧИЙ ЖУРНАЛ

ЗАХ1ДНИЙ НАУКОВИЙ ЦЕНТР ТРАНСПОРТИР! АКАДЕМП УКРА1НИ №15’2008



            САЛОВ Н. Н., доктор технических наук, профессор


        ХАРЧЕНКО А. Аассистент


            Севастопольский национальный технический университет





        УМЕНЬШЕНИЕ РАДИАЛЬНОЙ НЕРАВНОМЕРНОСТИ ТЕМПЕРАТУР ДИСКОВ РОТОРОВ ТРАНСПОРТНЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ


    Постановка проблемы.
    Необходимость создания конкурентоспособных на мировом рынке газотурбинных двигателей (ГТД) нового поколения требует реализации высоких

параметров термодинамического цикла при высоком уровне надежности и ресурсе. Основным направлением совершенствования ГТД является увеличение температуры газа перед турбиной наряду с увеличением степени повышения давления воздуха в компрессоре.
    Наиболее распространенной является дискобарабанная конструкция ротора ГТД, состоящая из отдельных секций, имеющих диски и проставочные кольца, и обладающая большой жесткостью и большой критической частотой вращения.
    Высокие значения параметров цикла влияют на температурное состояние дисков роторов компрессора и турбины. Так, перепад температур по радиусу дисков последних ступеней осевых компрессоров высокого давления может составлять 200...400 К. Напряжения, вызванные радиальным градиентом температуры, существенно влияют на распределение суммарных напряжений в диске, особенно на нестационарных режимах работы ГТД.
    Величину температурных напряжений в дисках стремятся уменьшить, применяя различные схемы подвода охлаждающего воздуха. Наиболее значительные результаты достигаются при обдуве диска одноступенчатой турбины высокого давления, в то же время градиенты температур в дисках роторов осевых компрессоров и многоступенчатых турбин дискобарабанной конструкции остаются достаточно высокими из-за «холодной» ступицы диска при существующих схемах охлаждения ротора. Таким образом, возникает проблема негативного влияния высоких параметров цикла на термонапряженное состояние дисков роторов.

    Результаты исследований.
    Для решения проблемы были решены следующие задачи:
    — разработаны конструкции устройств, уменьшающих неравномерность температуры по радиусу диска посредством переноса теплоты к ступичной части диска;
    — экспериментально исследована радиальная неравномерность температуры диска с устройствами,

использующими динамический напор осевого потока воздуха, отбираемого на охлаждение двигателя;
     — обобщены результаты эксперимента и получены расчетные зависимости для описания

температурного состояния экранированных дисков с эжекторными устройствами и неэкранированных дисков роторов ГТД, охлаждаемых осевым потоком воздуха.
     Исследования         выполнялись          на
экспериментальной установке [1], рабочий участок которой представлял собой модель пятиступенчатого ротора осевого компрессора с транспортировкой отбираемого на охлаждение турбины воздуха через внутренние полости ротора (рис.1, 2; стрелками здесь и далее показано направление движения воздуха). Тепловой поток создавался электронагревателем из нержавеющей стальной ленты, уложенной по образующей барабана рабочего участка. В качестве

термодатчиков применялись термопары типа хромель-алюмель, регистрация температуры осуществлялась посредством многоканального

Рис. 1. Общий вид экспериментальной установки:

1 — станина;
2 — рабочий участок;
3 — электродвигатель привода центрального вала;
4 — воздухоподводящее уплотнение;
5 — привод рабочего участка;
6  — датчик тахометра.

WESTERN SCIENTIFIC CENTRE OF UKRAINIAN TRANSPORT ACADEMY

15’2008

205

ЗАХ1ДНИЙ НАУКОВИЙ ЦЕНТР ТРАНСПОРТИР! АКАДЕМ!! УКРА1НИ №15’2008

Рис.2. Рабочий участок экспериментальной установки:
1 - полувал левый; 2 - барабан;
3 - диск;
4 - проставочное кольцо;
5 - внутренний электронагреватель;
6 - внешний электронагреватель;
7 - защитный кожух;
8 - центральный вал;
9 - медно-графитовые щетки;
10 - полувал правый;
11 - воздухоподводящее уплотнение.

    Были проведены исследования температурного состояния дисков с устройствами двух типов, использующими динамический напор осевого потока воздуха, отбираемого на охлаждение двигателя, для уменьшения      радиальной      неравномерности
температурных полей дисков. Варьировались плотность теплового потока, расход охладителя и угловая скорость вращения ротора рабочего участка и центрального вала.
    Как показали результаты экспериментов, устройства, изменяющие направление течения осевого потока (рис. 3), являются малоэффективными, т.к. динамического напора воздуха недостаточно, чтобы           воздух,           направляемый
воздухораспределителями в полость, повлиял на уменьшение неравномерности распределения


температуры по радиусу диска.


  г г
Рис. 3. Схемы рабочих участков с устройствами,

изменяющими направление осевого потока охлаждающего воздуха:
    а — гребешкового типа с открытыми перепускными окнами;
    б —гребешкового типа с закрытыми перепускными окнами;
    в — с петлевой схемой течения;
    г — с осепетлевой схемой течения.

   Установлено, что наименьший перепад температур по радиусу диска обеспечивается устройствами, принцип действия которых основан на эжекции из междисковой полости ротора горячего слоя, который формируется на поверхности

WESTERN SCIENTIFIC CENTRE OF UKRAINIAN TRANSPORT ACADEMY

15’2008

206

ЗАХ1ДНИИ НАУКОВИЙ ЦЕНТР ТРАНСПОРТИР! АКАДЕМ!! УКРА1НИ №15’2008

проставочных колец и диска [2, 3]. Эжекторное устройство образует с центральным валом суживающийся канал, в котором скорость осевого потока охлаждающего воздуха возрастает. Выходящий из сопла активный поток создает разрежение, посредством которого осуществляется эжектирование разогретого воздуха из полости ротора.
    Температурное состояние дисков с исследованными вариантами конструкций показано на рис. 4. Как видно из графика, наименьший перепад температуры по радиусу диска имеет полностью экранированный диск с эжекторными каналами, расположенными в кольцевом зазоре под ступицей

Рис. 4. Температурное состояние диска с эжекторными устройствами:
1 — полное экранирование диска с эжекторными каналами;
2 — при наличии в экране отверстий;
3 — экранирование ступицы и 2/3 полотна диска;
4 — без устройств в полости ротора.

    Рис. 5. Экранированный диск с эжекторными каналами

    На основе выполненных экспериментальных исследований получены зависимости для расчета распределения температур по радиусу неэкранированных дисков и экранированных дисков с эжекторными каналами. Безразмерная температура на среднем радиусе /-го расчетного участка изменяется по зависимости

\rmax J

где д _         ; tj — температура /-го расчетного
     ¹ t -t lmax Le
участка диска;
/в — температура охлаждающего воздуха под ступицей диска, °C;
tₘₐₓ — температура газа в пробочной части, для

осевого компрессора определяется по степени повышения давления воздуха,в данной ступени, °C;

г — средний радиус расчетного участка, м; гтах — внешний радиус диска, м.
    Величина показателя степени т для /-го участка неэкранированного диска определяется по формуле


            т = С-/?^-(р-Дг)Л                (2)


где п _ а'ги ; В — коэффициент температурного V
расширения воздуха, К'¹, \t = t -t₃, коэффициент С и показатели степени х, у определяются по опытным данным для каждого расчетного участка диска.
    Зависимость (1) может быть представлена в виде / \т
        I ~ ⁺ (^тах


    Для экранированного диска с эжекторными устройствами показатель степени в формуле (3) учитывает влияние экранирования и осевого потока охладителя на распределение температуры вдоль

(3)

WESTERN SCIENTIFIC CENTRE OF UKRAINIAN TRANSPORT ACADEMY

15’2008

207

ЗАХ1ДНИЙ НАУКОВИЙ ЦЕНТР ТРАНСПОРТИР! АКАДЕМП УКРА1НИ №15’2008

    тэ=С}т ■Reza\-ⁿ-'---rⁿax >               <⁴)
       ³¹          - V R-F )
          w • d
где Re. = ----2^2- — осевое число Рейнольдса; w              v
скорость осевого потока охлаждающего воздуха в кольцевом канале, образованном экраном с эжекторными каналами и центральным валом, м/с; ^экв — эквивалентный диаметр кольцевого канала, м; v — кинематическая вязкость воздуха, м²/с; (]— степень экранирования диска, Гп — I RF J
радиус междисковой полости, м; Fₘₐᵢ — площадь поверхности диска, м²; F — площадь свободных от экранирования участков диска, м²; R — радиус подвода воздуха к охлаждаемой части диска (в зазор между экраном и диском), м; Fₘₐₓ — площадь поверхности диска, м²; CIₜ а, b — коэффициент и показатели степени, определены на основе опытных данных для каждого расчетного участка диска.
     Полученные зависимости, учитывающие степень экранирования диска и скорость потока эжектирующего воздуха, позволяют на стадии проектирования выбрать параметры, обеспечивающие приемлемое по ^условиям прочности распределение температуры по радиусу диска.
     Выводы-и направление дальнейших исследований в данном направлении.
     Проблема значительных перепадов температур по радиусу дисков роторов ГТД дискобарабанной конструкции может быть решена посредством управления контурами циркуляции, которые возникают в междисковых полостях при прокачке охлаждающего воздуха вдоль оси ротора. Экспериментально установлено, что эффективно уменьшают перепад температуры по радиусу диска ротора устройства, принцип действия которых основан на эжекции из полости ротора горячего слоя, который формируется на поверхности проставочных колец и диска, что способствует разогреву ступичной части диска. Наименьший перепад температуры по


радиусу диска наблюдается при полностью экранированном диске с эжекторными каналами, расположенными на экране под ступицей диска. Предложены зависимости, позволяющие осуществить расчет распределения температуры по радиусу дисков, оснащенных эжекторными устройствами для уменьшения неравномерности распределения температуры. В дальнейшем предполагается исследовать температурное состояние дисков роторов на нестационарных режимах.

     The article is devoted to the problem of decreasing temperature fields nonuniformity along the radius of disks in the disk-drum GTE rotor disks by means of devices using dynamic pressure of axial cooling air stream. As a result of executed experimental researches it is exposed, that the most effective reducing of temperature nonuniformity along the radius of disk is provided by shielding of disk with the ejector cavities. On the basis of experimental data formulas for the computation of temperature along the radius of the shielded and unshielded disks are obtained.

     Библиографический список
     1.     Харченко А.А. К управлению температурным состоянием дисков роторов осевых компрессоров ГТД / А.А. Харченко // Авиационно-космическая техника и технология. -2005. - №10. - С. 170-172.
     2.     Пат. №77163 У кража, МПК F02C 7/12. Ротор турбомашини з комбшованим прокачуванням повйтря / М.М. Салов, А.О. Харченко; заявник та патентовласник Севастопольський нацюнальний техшчний ушверситет. — № 2003043991; Заяв. 30.04.2003; Опубл. 15.11.2006, Бюл. №11.
     3.     Пат. №77949 Украша, МПК F02C 7/12, F01D 5/02. Екранований ротор турбомашини з осьовим прокачуванням повггря / М.М. Салов, А.О. Харченко, Г.В. Горобець; заявник та патентовласник Севастопольський нацюнальний техшчний ушверситет. — № 2003044016; заявл. 30.04.2003; опубл. 15.02.2007, Бюл. №2.


WESTERN SCIENTIFIC CENTRE OF UKRAINIAN TRANSPORT ACADEMY

15’2008

208