Стационарное температурное поле в матричной лопатке

Рисунок 5 – Стационарное температурное поле в матричной лопатке

С использованием метода конечных элементов получили температурное поле в матричной лопатке двухконтурного ГТД в указанных узлах (58, 116, 174, 232, 290, 348, 406, 464, 522, 580).

Для нестационарного теплового состояния строим график зависимости максимальной и минимальной температуры от времени (в данном случае, соответственно для узлов 464 и 348).

Для стационарного теплового состояния определим наиболее теплонапряженные участки профиля.

Так в исследованных узлах средней части со стороны корытца (узлы №174, №290, №522) температура составляет соответственно 1128.98 ; 784.66 и 942.97 К.

В узлах средней части со стороны спинки (узлы №116, №348, №406, №580) температура находится в диапазоне 739.63 …942.97 К.

В узлах выходной кромки: узлы №58, №232, №464, температура составляет соответственно: 1057.37 , 1032.00 и 948.11 К.

Таким образом, наиболее теплонапряженными участками профиля матричной лопатки, согласно результатам численного решения, являются входная кромка и выходная кромка со стороны корытца.

Для нестационарного теплового состояния зависимость максимальной и минимальной температур от времени представим в виде графика.

График зависимостей максимальной и минимальной температур матричной лопатки от времени

2 Расчет кольцевого теплообменника змеевикового типа.

2.1 Схема и описание воздухо-воздушного теплообменника гтд

В двухконтурных ГТД имеется возможность часть сжатого в компрессоре воздуха в количестве , кг/с, с температурой , направляемого на охлаждение рабочих лопаток первой ступени турбины, подать в воздухо-воздушный теплообменник наружного контура и там понизить его температуру за счет более холодного воздуха, поступающего в этот контур из вентилятора в количестве , кг/с, с температурой .

Рисунок 6 - Температурная схема воздухо-воздушного теплообменника

Исходя из реальных возможностей двухконтурных ГТД, можно предложить конструкцию прямоточного кольцевого теплообменника змеевикового типа (рис. 7). С целью уменьшения габаритов и веса теплообменника горячий воздух из компрессора с большим давлением направляется вовнутрь трубок, а холодный воздух после вентилятора – в межтрубное пространство. Пространство, занимаемое теплообменником, ограничено внутренней и внешней цилиндрическими обечайками двигателя длиной L с диаметрами d и D соответственно. Между внутренней и внешней обечайками навиты спиралью трубки с внутренним и внешним диаметрами соответственно и , внутри которых движется часть сжатого в компрессоре воздуха. Количество трубок в одной навивке полагаем равным (рекомендуется принимать шт.), а продольный шаг между трубками (между витками) в одной навивке примем равным .

Рисунок 7 - Схема кольцевого теплообменника змеевикового типа

Шаг между навивками по радиусу обечайки определяется по результатам расчета величины проходного сечения для охлаждаемого воздуха как

,

где - общее количество трубок, округленное до значения, кратного . Навивки смещены друг относительно друга таким образом, что образуют шахматный пучок (рис. 8).

Количество воздуха , отбираемого на охлаждение рабочих лопаток первой ступени турбины (направляемого в теплообменник), составляет от общего количества сжатого в компрессоре воздуха относительную величину , являющуюся сложной функцией температуры газа перед турбиной и температуры охлаждающего лопатки воздуха : . При значениях К можно принять .

Рисунок 8 - Продольный разрез теплообменника

Отношение количества воздуха , сжимаемого в вентиляторе и направляемого в наружный контур, к количеству воздуха , сжимаемого в компрессоре, называется степенью двухконтурности двигателя

,

которая у современных ГТД лежит в диапазоне от 0.5 до 10. В данной работе примем степень двухконтурности двигателя равной трем ( ). Тогда расходы теплоносителей через теплообменник определяются соотношениями

Видно, что для расчета абсолютных значений расходов теплоносителей достаточно знать производительность компрессора , которую для определенности будем выбирать из соотношения

, кг/с,

где давление воздуха выражено в технических атмосферах.

Расчет любого теплообменного аппарата предполагает знание температуры на выходе из него одного из теплоносителей. Для определения, например, температуры зададимся глубиной охлаждения в теплообменнике (радиаторе) части сжатого в компрессоре воздуха:

.

Для принятых значений величина лежит в диапазоне . Тогда температура охлажденного в теплообменнике воздуха определяется по формуле

.

В заключение отметим, что соотношение диаметров внутренней и наружной обечаек для степени двухконтурности и общепринятой компоновки компрессора и вентилятора равно .