Введение к работе
Актуальность работы. Работа сборных конструкций современных тепловых турбомашин связана с высокоинтенсивным силовым и температурным воздействием. В этих условиях, при изменении уровня механического контактного давления на сопрягаемых поверхностях, наблюдается изменение характера теплового потока, проходящего через стыки деталей. Возникающее при этом дополнительное контактное сопротивление тепловому потоку приводит к локальным перегревам и, соответственно, к изменению свойств материала. Последнее обстоятельство, в сочетании с рабочими механическими нагрузками, может привести к снижению работоспособности сборной конструкции в целом. В особенности актуальным представленное обстоятельство является для высоконагруженных тепловых машин, таких как турбины авиационных газотурбинных двигателей (ГТД).
Физика явления, определяющая актуальность работы, обусловлена тем, что изменение уровня механического контактного давления и, соответственно, изменение температурного градиента на сопрягаемых поверхностях являются взаимозависимыми процессами. Недостаточная разработанность уточненных методик учета взаимного влияния этих процессов, а также недостаточная разработанность методик численного анализа термоупругости реальных сборных конструкций турбомашин создает риск принятия ошибочных конструкторско-технологических решений.
Преодоление представленной проблемы затрудняется также недостаточной разработанностью системы тестов, позволяющей верифицировать результаты численного моделирования при анализе термоупругости сборных конструкций.
Таким образом, построение уточненной математической модели и разработка на ее основе методики анализа термоупругого взаимодействия деталей сборных конструкций турбомашин, наряду с разработкой системы тестов для верификации результатов, является актуальной задачей.
Идея работы заключается в последовательном поочередном уточнении значений контактных термических сопротивлений и характеристик возникающего напряженно-деформированного состояния (НДС) на основе дискретного конечно-элементного (КЭ) анализа полей напряжений и температур. При этом результаты, построенные на итерации, определяющей напряженное состояние в термоконтакте, используются в качестве исходных данных на итерации, определяющей состояние термического сопротивления этого контакта.
Цель работы: разработка уточненной методики моделирования взаимозависимых полей напряжений и температур, возникающих в сборных конструкциях турбомашин, на примере ротора авиационного ГТД.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
Разработать уточненную методику моделирования взаимовлияния полей напряжений и температур в рассматриваемой расчетной схеме.
Разработать методику анализа термоупругости, основанную на использовании дискретных КЭ моделей.
Разработать систему тестов, позволяющую верифицировать результаты численного моделирования полей напряжений и температур в зоне стыков.
4. Осуществить уточненный анализ полей напряжений и температур реальной сборной конструкции ротора турбины каскада высокого давления авиационного ГТД.
Методы исследования. Основные результаты работы получены с использованием вариационно-энергетического подхода в формировании функционалов рассматриваемых физических задач и численного решения на основе метода конечных элементов (МКЭ).
Научная новизна работы заключается в следующем:
Создана и программно реализована на основе МКЭ математическая модель анализа термоупругости сборных конструкций, отличающаяся тем, что описывает решение двух взаимозависимых задач: теории упругости и теплопроводности, с учетом изменений контактного взаимодействия деталей турбомашин, работающих в условиях сложного комплекса конструктивно-силовых и температурных воздействий.
Разработана уточненная методика анализа термоупругости сборных конструкций турбомашин, позволяющая получать численные значения взаимовлияющих характеристик НДС и полей температур в области стыков.
На основе используемого подхода к решению взаимозависимых контактных задач теории упругости и теплопроводности сборных конструкций уточнены значения полей напряжений и температур в реальной сборной конструкции ротора турбины каскада высокого давления авиационного ГТД, с выявлением особенностей влияния контактного термического сопротивления на поле температур.
Достоверность полученных результатов обеспечена их совпадением (с расхождением в пределах 10 %) с известными решениями, полученными как аналитически, так и с использованием пакета Femap (with NX Nastran).
Практическая значимость работы заключается в том, что разработанная методика может использоваться в проектных конструкторских организациях при создании новых или усовершенствовании существующих образцов техники, в частности, высоконагруженных тепловых машин. Методика дает возможность повысить надежность представленных машин, увеличить их долговечность и удельную мощность, сократить временные и материальные затраты на доводку изделий.
Результаты, полученные в работе, использованы в процессе реального проектирования роторов ГТД и внедрены в ФГУП НПЦ «Газотурбостроения «Салют», г. Москва.
На защиту выносятся следующие результаты работы:
1. Математическая модель контактной задачи термоупругости сборной конструкции турбомашины, основанная на применении кусочно-линейной функции для аппроксимации экспериментальных кривых зависимости контактного термического сопротивления от давления в стыке, и включающая:
учет граничных условий кинематического закрепления;
учет инерционных, температурных и др. нагрузок;
учет внутренних нагрузок контактных взаимодействий деталей и условий их сопряжений (а также отслеживание изменений этих условий в ходе восприятия рабочих нагрузок).
Уточненная методика анализа термоупругости сборных конструкций турбомашин, позволяющая получать поля характеристик НДС и температур в области стыков деталей.
Система тестов для верификации результатов численных решений, получаемых по предложенной методике.
Результаты анализа термоупругости реального сборного ротора турбины каскада высокого давления авиационного ГТД с выявлением особенностей проявления контактного термического сопротивления в формировании поля температур сборных конструкций тепловых машин.
Апробация работы. Основные результаты выполненных исследований и разработок представлялись и обсуждались на: традиционных научно-технических конференциях ИрГТУ и ИрГУПС в 2007-2011 гг.; научно-практическом семинаре отдела прочности НПЦ «Газотурбостроения «Салют», г. Москва, 2011 г.; научно-методическом семинаре кафедры конструкции и проектирования двигателей МАИ (ГТУ), г. Москва, 2011 г.; расширенных заседаниях кафедры самолетостроения и эксплуатации авиационной техники и кафедры сопротивления материалов и строительной механики ИрГТУ, 2011 г.
Личный вклад соискателя заключается в следующем:
Построена, на основе МКЭ, математическая модель и разработана уточненная методика совместного решения двух взаимозависимых контактных задач теории упругости и теплопроводности для сборных конструкций турбомашин.
Разработана система тестов для верификации результатов численного решения контактной задачи в анализе термоупругости сборных конструкций турбомашин.
Разработан программный модуль для реализации численного решения по предложенной методике.
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 6 печатных работах, 3 из которых - в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ для опубликования результатов диссертационных исследований.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из оглавления, списка обозначений основных величин, списка сокращений, введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 105 наименований и приложения. Объем работы - 154 страницы, включая 52 рисунка и 9 таблиц.
