Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Тепловые двигатели

Диссертационная работа:

Гомзиков Леонид Юльевич. Анализ теплового состояния температурно-нагруженных элементов ГТД на основе трехмерного моделирования: автореферат дис. ... кандидата технические наук: 05.07.05 / Гомзиков Леонид Юльевич;[Место защиты: Пермском национальном исследовательском политехническом университете].- Пермь, 2011.- 16 с.

смотреть введение
Введение к работе:

Существующая тенденция повышения эффективности двигателей за счет увеличения роста температуры и давления перед турбиной в последнее десятилетие обострилась новой проблемой. Постепенное увеличение требований по снижению эмиссии оксидов азота привело к переходу на камеры сгорания с уменьшенным отношением топлива к воздуху в основной зоне горения. При сохранении тенденции увеличения температуры перед турбиной это означает, что значительно изменилось соотношение воздуха, идущего в основную зону горения, и идущего на охлаждение. Все это является основанием актуальности работы по разработке методов расчета теплового состояния температурно-нагруженных элементов газотурбинных двигателей, которые имеют ключевое значение при проектировании современных двигателей с большим ресурсом.

Целью работы является разработка метода расчета теплового состояния наиболее температурно-нагруженных узлов двигателя - камеры сгорания и охлаждаемых рабочих лопаток турбины с использованием сопряженного моделирования на основе решения осредненных уравнений Навье-Стокса в трехмерной постановке с учетом теплопроводности в металле, а также анализ применения этого метода на основе экспериментальных данных.

Задачи исследования:

  1. провести сравнительный анализ различных математических моделей описания процессов, протекающих в камере сгорания и охлаждаемых венцах турбины, на основе доступного в современных коммерческих газодинамических пакетах набора подходов;

  2. разработать программы для расширения возможностей коммерческого программного обеспечения по моделированию процессов горения в камере сгорания в приближении тонкого фронта пламени;

  3. разработать методику численного моделирования теплового состояния стенок камеры сгорания;

  4. разработать методику расчета теплового состояния рабочей лопатки первой ступени турбины;

  5. оценить погрешности результатов численного моделирования, вызванные пренебрежением нестационарных эффектов;

  6. оценить влияние учета течения в сопловом аппарате и камере сгорания на точность определения теплового состояния рабочих лопаток.

На защиту выносятся:

  1. разработанные программы для определения состава смеси и скорости фронта ламинарного пламени в зависимости от параметров модели тонкого фронта пламени;

  2. методика поэтапного численного моделирования теплового состояния стенок камеры сгорания, учитывающая влияние всех основных факторов (теплопроводность, радиационный теплообмен, диффузию, горение вблизи стенки) на тепловой поток к стенке;

  3. комплексная методика расчета теплового состояния охлаждаемых рабочих лопаток турбины в трехмерной сопряженной постановке, учитывающая связь инерциальных эффектов в каналах охлаждения лопаток турбины и процессов турбулентного горения в камере сгорания с тепловым состоянием внешней поверхности лопатки;

  4. результаты применения предложенных методик для анализа теплового состояния стенок камеры сгорания и рабочих лопаток первой ступени турбины высокого давления и их сравнение с экспериментом;

  5. метод анализа распределения вихревых потоков, основанный на математическом маркировании воздуха.

Научная новизна результатов заключается в следующем:

на основе трехмерной сопряженной постановки с учетом детальной химической кинетики исследованы основные факторы, формирующие температурное поле стенок камеры сгорания, оценено влияние этих факторов на достоверность численного определения теплового состояния. Результаты обобщены в виде требований к математической модели, при которых достигается точность в пределах 6%;

оценено влияние основные факторов, формирующих температурное поле стенок охлаждаемых лопаток турбины, на достоверность численного определения теплового состояния. Показана зависимость точности результатов численного анализа не только от вида математической модели для рабочего колеса турбины, но и от расширения модели на расчет со статорным венцом и с камерой сгорания. На основе полученных результатов сформулированы дифференцированные критерии выбора математической модели для обеспечения получения точности в пределах 6% при численном определении температурного поля;

предложен метод анализа распределения потоков на основе математического маркирования воздуха. Показана его эффективность при определении факторов, влияющих на тепловое состояние в конкретной точке профиля лопатки;

Достоверность получаемых результатов достигается использованием общих фундаментальных законов сохранения массы, импульса и энергии, применением сертифицированного коммерческого программного комплекса, верифицированного на основе экспериментальных данных, а также

апробированного на ОАО «Авиадвигатель», сравнением результатов работы программ собственной разработки по моделированию горения с опубликованными экспериментальными данными других авторов, хорошим согласованием расчетных температур в пределах 6%, получаемых с использованием предложенной методики, с экспериментальными данными полученным при испытаниях двигателей ГТУ-25П и ПС-90А2, разработанных ОАО «Авиадвигатель».

Практическая ценность работы состоит в следующем:

разработанные программы, позволяют получать зависимости состава реагирующей смеси и скорости фронта пламени от ряда параметров, используемых в приближении тонкого фронта, является универсальным и применимым не только для определения теплового состояния. Он также уже применяется при разработке моделей горения, позволяющих уточнить численную оценку эмиссии вредных веществ, а также моделей для нестационарного моделирования бедного срыва пламени;

разработанные методы расчета теплового состояния повышают точность численной оценки распределения температуры в материале, а метод анализа на основе математического маркирования, расширяет понимание распределения потоков воздуха и газа, что позволяет улучшить качество проектирования двигателей;

применение предложенной методики позволило определить причины появления ряда горячих зон в существующих двигателях различных моделей, а также дать рекомендации по оптимизации теплового состояния. На основе этой методики внесены изменения в конструкцию ряда двигателей;

предложенные критерии выбора математической модели дифференцированы, соответственно для получения различной точности анализа необходим различный вычислительный ресурс. Это позволяет использовать метод как для быстрого получения результата при небольших вычислительных ресурсах, так и повысить точность за счет расширения границ модели и объема вычислительных мощностей;

Внедрение результатов:

методика определения теплового состояния внедрена в практику расчетных работ на ОАО «Авиадвигатель» и используется при проектировании систем охлаждения камер сгорания и турбины высокого давления;

разработанный программный комплекс, позволяющий получать зависимости состава реагирующей смеси и скорости фронта пламени от ряда параметров смешения, используемых в приближении тонкого фронта, внедрен в практику расчетных работ на ОАО «Авиадвигатель» и используется при подготовке флэймлет и флэймфронт библиотек горения;

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 14 печатных работах, из них 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 6 статей в зарубежных журналах и трудах зарубежных конференций.

Апробация работы. Результаты работы докладывались автором и обсуждались на: международной научно-технической конференции «Рабочие процессы и технология двигателей» (КГТУ, г.Казань, 23-27 мая 2005 г.); всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмическая техника и высокие технологии 2005» (ПГТУ, г.Пермь, 22-24 июня 2005 г.); международной научно-технической конференции "Проблемы и перспективы развития двигателестроения" (СГАУ, г.Самара, 21-23 июня 2006; научно-техническом конгрессе по двгателестроению НТКД-2010 (АССАД, г.Москва 14-17 апреля. 2010); LVIII научно-технической сессии по проблемам газовых турбин и парогазовых установок на тему: «Научно-техническое обеспечение производства и эксплуатации газотурбинных и парогазовых установок» (ОАО «ВТИ», Москва, 20-23 сентября 2011), где работа была признана лучшей научной работой среди молодых специалистов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка из 144 наименований и приложения. Текст диссертации изложен на 149 страницах, содержит 58 иллюстраций и 9 таблиц.


© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net