Исследуется серийно используемый ГТД GEJ85, производится анализ и проведение последней ступени газотурбинного двигателя на статическую прочность. Описаныи проиллюстрированыосновныеэтапы.
Ключевые слова: карбид титана, растяжение лопаток турбин ГТД, AnsysWorkbench, метод аддитивных технологий
The article Investigates commercially used GTE GE J85, the analysis and holding of the last stage of a gas turbine engine static strength. Described and illustrated the basic steps.
Физические параметры последней ступени одноконтурного ГТД оказывают решающее влияние на выбор используемого материала для их изготовления. Изготовление последней ступени является сильно затратным процессов ввиду сложности технологии и обязательно высокого уровня квалификации исполнителей. Эту проблему можно решить с помощью методов быстрого прототипирования, когда деталь будет постепенно «печататься» по готовой CAD модели в герметичной камере. Детали, уже полученные данным способом [1], показывают характеристики выше, чем у полученных литьем, но меньше чем кованием. Для исследования последней ступени заменим используемый в данный момент титановый сплав ВТ-5 на карбид титана TiC.
Использование нового материала позволяет использовать более высокие нагрузки на последние ступени ГТД, в связи с большей твердостью, прочностью и температурой плавления, что позволит при более малых размерах двигателя выдерживать более высокие нагрузки. Основными путями модернизации следует выбрать замену изготовления двигателя из субтрактивных методов в аддитивные. Для этого примем, что детали, требующие долгого изготовления на высокоточных станках, будут изготовлены на 3д принтере, использующем фемтосекундное лазерное излучение. В качестве примера рассмотрим изготовление и анализ лопастей турбины 3 контура как самых нагруженных элементов ГТД.
Для исследования выберем широко распространенный и прекрасно себя зарекомендовавший на протяжении длительного времени ГТД General Electric J85. Он Используется как на реактивных самолета гражданского, так и военного назначения.
Рис. 1. Модель ГТД GeneralElectricJ85 в разрезе
При работе газотурбинного двигателя на рабочие лопатки действуют статические, динамические и температурные нагрузки. К ним относятся центробежные силы масс лопаток, которые появляются при вращении ротора, и газовые силы, возникающие при обтекании газом профиля пера лопатки и в связи с наличием разности давления газа перед и за лопаткой. Центробежные силы вызывают в пере лопатки деформации растяжения, изгиба и кручения, газовые силы — деформации изгиба и кручения.
При расчете пера лопатки компрессора или турбины c учетом центробежных сил на статическую прочность (рис.2) принимают следующие допущения:
‒ лопатку рассматривают как консольную балку, жестко заделанную в ободе диска;
‒ напряжения определяют по каждому виду деформации отдельно, а затем алгебраически суммируют (для сильно закрученных лопаток это допущение является не совсем корректным);
‒ температуру в каждом рассматриваемом сечении пера лопатки считают одинаковой, т. е. температурные напряжения в сечениях отсутствуют;
‒ лопатку считают жесткой, деформацией (отклонением от оси пера под действием сил и моментов) пренебрегают;
‒ предполагают, что деформации лопатки протекают в упругой зоне, то есть напряжения в пере лопатки не превышают предела пропорциональности;
‒ температура лопатки турбины изменяется только по длине пера, рост температуры приводит к снижению механических свойств материала.
Рис. 2. Лопасть последней ступени ГТД.
Процесс определения напряжений в лопатке Ansys-Workbench:
Определение растягивающих напряжений.
Структурная схема расчета растягивающих напряжений (рис. 3) состоит из одного блока Static structural. В этот блок загружаются следующие данные:
- В «Engineering data» вводятся данные о материале лопатки (плотность, модуль упругости, коэффициент Пуассона и др.).
- В пункт «Geometry» вводятся твердотельная модель лопатки, которая была построена в пакете SolidWorks, а в пункт «Model» импортируется конечноэлементная сетка, построенная в пакете ICEM CFD из 22901 элементов что удовлетворяет качественным условиям расчета;
Рис.3. Структурная схема модели расчета лопасти.
Рис.4. Конечно элементная модель лопасти.
- «Setup» содержит режимные параметры задачи обтекания и определение напряжений: модель турбулентности, данные о среде обтекания, граничные условия, прикладываемые силы давления в турбине и т.д по формулам [2] [3] [4].
- После введения данных во все вышеперечисленные пункты вычисляются растягивающие напряжения в лопатке (рис. 5).
Рис. 5. Распределение растягивающих напряжений в (а) титановой Вт-5 и (б) TiС
В ходе работы была построена конечно-элементная модель из элементов — 22901 — что удовлетворяет качественным условиям расчета.
По предварительным расчетам на растягивающие напряжения применение карбида титана позволяет использовать их в качестве материала для последней ступени ГТД, а также было выяснено, что использование данных материалов повышает коэффициент запаса прочности как минимум в два раза.
2 этап. Определение изгибающих напряжений.
По предварительным расчетам, вычисление изгибающих напряжений требует проведения газодинамического расчета, который здесь проводится с использованием расчетной программы Fluent путем интегрирования усредненных по Рейнольдсу уравнений НавьеСтокса с использованием модели турбулентности k-ε Realizable. Моделирование течения влажного пара осуществляется моделью многофазности Wet steam.
В результате сложения напряжений от изгиба и растяжения получается результирующее распределение напряжений в лопатке. Однако данные вычисления должны проводится с учетом анализа полной модели ГТД и полученных данных о внутренних состояниях агрегата: поступающее давление, режимы форсажной работы, зависимость от используемого топлива или температуры и многое другое.
По предварительным данным касательно получившихся значений можно сделать вывод, что применение пакета AnsysWorkbench вместе с пакетами TurboMesh и IcemCFD для построения сетки конечных элементов и пакета Fluent для газодинамических расчетов позволяет упрощать и формализировать трудоемкие вычисления при определении статических и динамических напряжений в рабочих лопатках, а также позволяет рассчитывать аэродинамические силы.
Литература:
- Перспективы использования 3D-Печати в авиастроении. Зайтдинов А. М., Александров Ю. Б. Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева.
- Богомолова Т. В., Мельников О. В. Применение ANSYS-FLUENT для прочностных расчетов рабочих лопаток последних ступеней турбин// Московский энергетический институт (национальный исследовательский университет). Электронный журнал «Труды МАИ». Выпуск № 66
- Богомолова Т. В. Последние ступени паровых турбин: учебное пособие. М.: Издательство МЭИ, 2008. 68 с.
- Костюк А. Г. Динамика и прочность турбомашин. 3-е изд. М.: Издательство МЭИ, 2007. 476 с.
