Введение к работе
Актуальность проблемы. Важной народно-хозяйственной проблемой является повышение экономичности, надежности и продление сроков службы газотурбинных двигателей (ГТД)t получивших широкое распространение в авиационной и космической технике. Газовые турбины работают в условиях частой смены режимов, вследствие чего резко снижается ресурс изделия в результате разрушения материалов от малоцикловой усталости. Повышение ресурса является важнейшей проблемой, которую необходимо решать при проектировании, изготовлении и эксплуатации ГТД. Для решения этой проблемы необходима разработка таких конструкций и режимов работы, которые обеспечивали бы оптимальное температурное состояние изделия, исходя из критериев малоцикловой усталости.
При проектировании оптимального температурного состояния наиболее эффективными оказываются аналитические (приближенные аналитические) решения.Аналитические решения явно содержат основные параметры среды, и в таком виде они наиболее приспособлены для решения обратных задач теплопроводности и термоупрутости, задач по автоматическому управлению, оптимизации, автоматизированного проектирования и др. Эти решения наиболее приспособлены для работы в диалоговом режиме с ЭНЛ, что существенно повышает эффективность их использования.
Следует однако подчеркнуть, что получение аналитических решегтГ; задач теплопроводности для тел произвольных конфигураций с переменами коэффициентами теплообмена, многомерных задач теплопроводности .для многослойных конструкций, нелинейных краевых задач теплопроводности, сопряженных задач конвективно-кондуктивного теплообмена и др.представляет серьезные математические трудности. В аналитической теории теплопроводности такие решения получены лишь для незначительного круга отдельных частных задач, к тому яе, при весьма существенных допущениях. Поэтому разработка эффективных приближенных аналитических методов решения указанных задач, ориентированных на широкое использование их з инженерной практике, является важной научной и инженерной проблемо;;, а такие существенны;.! вкладом в развитие математических методов решения краевых задач.
Широкое распространение в ГТД получают композиционные материалы, составной частью которых являются многослойные конструкции. Определение требуемого сочетания свойств многослойных конструкций осуществляется путем проведения вычислительного эксперимента при работе в диалоговом режиме с ЭНЛ. Таким путем могло создать матерначн с унлкальнгм набором различных свойств (теїиофизическкх,механических,электрических и др.). Для этой цели наилучшим образом подходят методы, позволяющие
тслучать приближенные аналитические решения. Однако для решения ука-еанных задач эти методы пока еще недостаточно разработаны. Их применение оообенно существенно сдерживается недостаточным количеством разработок, связанных с методами построения систем координатных функций, точно удовлетворяющих граничным условиям и условиям сопряжения.
Таким образом, проблема повышения надежности, экономичности и продления сроков службы газотурбинных двигателей требует глубокого изучения процессов теплопроводности и термоупругости, протекающих в них, широкого использования ЭШ, развития математической, теории и повышения ее аффективного использования в прикладных целях.
Цель работы. Разработка и решение важной научной и инженерной проблемы создания эффективных аналитических (приближенных аналитических) методов расчета процессов теплопроводности, конвективно-кон-дука-ивного теплообмена и термоупругости применительно к решению важной народно-хозяйственной проблемы повышения экономичности, наденыос-тіі и продления сроков службы газотурбинных двигателей, а также для создания новой техники.
Научная новизна. На основе выполненных автором исследований и разработок осуществлено решение важной научной проблемы создания новых эффективных приближенных аналитических методов и соответствующего им программного обеспечения для решения задач теплопроводности, кон-вективно-кондуктивного теплообмена и термоупругости в многослойных конструкциях и конструкциях произвольной формы, использующихсяі при разработке современных газотурбинных двигателей и авиационно-космических систем.
В процессе разработки и решения указанной проблемы получены следующие новые научные результаты:
1. Разработано новое направление аналитического решения много
мерных линейных и нелинейных задач теплодроводности.конвективно-кон-
дуктявного теплообмена и термоупругости для многослойных конструкций
с переменными свойствами, основанное на совместном использовании точ
ных (Фурье,интегральных преобразований л др.) и приближенных анали
тических (Л.В.Канторовича, Бубнова-Галеркина, наименьших квадратов
и др.) методов, позволяющее повысить эффективность программного обеспечения, а также получать максимально простого вида приближенные аналитические решения.
2. Разработаны методы аналитического решения линейных и не
линейных задач теплопроводности путем построения эквивалентных
моделей, позволяющие получать адекватные аналитические решения и, в
частности, применительно к решении задач теплопроводности для многослойных конструкций разработаны теоретические основы метода приведения к однослойным, а для решения нелинейных задач представлены результаты разработки метода построения соответствующих линейных моделей.
-
Разработаны методы построения систем координатных функций, точно удовлетворявдих граничным условиям и условиям сопряяения, применительно к решению задач теплопроводности и термоупругости для мно-нослойных конструкций с переменными в пределах каждого слоя физическими свойствами среды, а также с переменными по координатам и во времени коэффициентами теплообмена.
-
Разработан приближенный аналитический метод решения задач теплопроводности и термоупругости для тел произвольной формы с переменными по координатам коэффициентами теплообмена, основанный на совместном использовании метода конечных элементов, и предложенных в диссертации методов построения систем координатных функций, точно удовлетворягацих основному дифференциальному уравнению.
-
Разработаны теоретические основы метода получения вихревого температурного поля, возникающего при вращении источника теплоты по круговой орбите. Полученные результаты распространены на поля потенциалов другой природы и , в частности, обоснована возможность получения вихревого движения среды в топочных камерах и камерах сгорания ГЩ.
-
Разработан алгоритм и программа метода автоматического разбиения произвольных односвязных и многосвязных областей применительно к расчетам температурных полей и термических напряжений методом конечных элементов и вариационными методами.
-
Получены новые расчетные и экспериментальные данные о процессах теплопереноса и термоупругости, о причинах и интенсивности коксо-образования, о числе циклов до разрушения и о ресурсе рабочих лопаток применительно к конструкциям газотурбинных двигателей, необходимые
для повышения их надежности, продления сроков службы и модернизации, а также для создания новой техники.
На защиту выносятся:
1. Результаты разработки и решения важной научной проблемы соз
дания эффективных инженерных методов расчета задач теплопроводности,
конвективно-кондуктивного теплообмена, а также задач термоупрутости для многослойных конструкций с переменными в пределах каждого слоя физическими свойствами среды и переменными по координатам и ео времени коэффициентами теплообмена.
2. Результаты получения на основе разработанных методов аналити-
ческих решений следующих типов краевых задач: двухмерные и трехмер-мерные задачи теплопроводности для многослойных тел с переменными в пределах каждого слоя физическими свойствами среды и с переменными п координатам и во времени граничными условиями; нелинейные задачи .теплопроводности для многослойных конструкций; задачи термоупругости для многослойных тел с переменными упругими характеристиками; задачи теплообмена і для теплообменников; типа "труба в трубе" и многослойных плоских теплообменников (аналитические решения указанных задач отсутствуют в известной литературе).
-
Результаты разработки метода решения задач теплопроводности для многослойных конструкций путем приведения их к однослойным, базирующегося на получении однослойной модели, практически эквивалентной образцу в смысле оказываемого ею сопротивления процессу переноса теплоты, а также результаты разработки метода построения на основе полученной модели многослойных композиционных материалов с заданными свойствами.
-
Результаты получения новых расчетных данных по температур^-ному состоянию воспламенителей камеры сгорания ПД, а также рекомендаций по изменению режимов работы с целью предотвращения кипения топлива и новообразования на их стенках.
-
Результаты расчетов оптимального двумерного температурного поля сечения охлаждаемой лопатки ГЩ для обеспечения прочности материала по критериям малоцикловой усталости, а также исходя из максимально допустимых значений температурных напряжений.
-
Результаты разработки метода диагностики толщины коксовых отложений на стенках многослойных топливных коллекторов ГЩ, основанного на разработанных в диссертации аналитических методах решения задач теплопроводности для многослойных конструкций, с использоват-нием результатов натурных экспериментов по температуре стенки кол-
л ектора.
7. Результаты разработки математической модели процессов теп
лообмена и коксообразовация на стенках трубопроводов топливных сис
тем газотурбинных и ракетных двигателей, а также результаты экспе
риментальных исследований влияния покрытий внутренних поверхностей \
трубопроводов на скорость процесса коксообразования.
8..Результаты разработки алгоритма и программы метода автоматического разбиения произвольных односвязных и многосвязных областей применительно к расчетам температур и термических напряжений аналитическими и численными методами, а также ленточного метода автоматического разбиения произвольных областей для расчетов темпера-
турных напряжений по формуле Биргера-Малинина.
9. Результаты разработки математической модели, алгоритмов и программ расчета процессов теплового воспламенения твердых тошшв, порохов и взрывчатых веществ при переменных во времени граничных условиях.
10. Результаты разработки вычислительных алгоритмов и программных средств, имеющих гибкую модульную структуру и позволяющих наиболее эффективно использовать предложенные в диссертации методы решения краевых задач математической физики.
II."На защиту также выносятся выявленные закономерности исследованных процессов и практические рекомендации по устранению дефектов, совершенствованию конструкций и режимов эксплуатации газотурбинных двигателей.
Представленная работа является обобщением теоретических и экспериментальных исследований, выполненных автором на кафедре "Теплофизика и управление теплоэнергетическими процессами" Самарского государственного технического университета. Исследования проводились по комплексной программе Минвуза РСФСР "Система автоматизированного проектирования", по плану министерства авиационной промышленности, ...-.- ' . а такав по плану комплексной научно-технической программы Минвуза PCdCP "Надежность конструкций".
Практическая ценность. Разработанные автором приближенные аналитические методы, обеспеченные алгоритмами и программными средствами используются различными научными организациями и промышленными предприятиями страны. К их числу относятся: Самарское конструкторское бюро машиностроения; самарские заводы Экран, Металлист, авиационный моторостроительный им. М.В.Фрунзе; Сызранское специальное конструкторское бюро "Луч"; Всесоюзный научно-исследовательский институт разработки и эксплуатации нефтепромысловых труб (г.Самара); Подольский научно-исследовательский технологический институт; научно-исследовательский институт проолем конверсии и высоких технологий (г.Самара); Красноармейский научно-исследовательский институт механизации; Московский научно-исследовательский институт механизации. Результаты внедрения подтверждены соответствующими актами, приведенными в приложениях диссертации. С помощью предложенных в диссертации методов разработана оптимальная по критериям малоцикловой усталости конструкция топливного коллектора, внедренного на моторостроительном заводе им. М.В.Фрунзе на двигателях, выпускаемых серийно. В Самарском конструкторском бюро машиностроения внедрены четыре методики по расчетам температурных полей и термических напряжений совместно с паке-
тами прикладных программ для ЭВМ. Суммарный экономический эффект, . полученный от внедрения результатов работы,подтвержденный актами о внедрении, приведенными в приложениях диссертации, составляет более 16 миллионов рублей (в ценах 1990 г.).
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на Всесоюзной конференции "Повышение долговечности и надежности машин и приборов", Самара, 1981 г., Научно-техническом семинаре "Развитие машинных методов и средств решения краевых задач",Донецк, 1983 г..Научно-техническом семинаре "Прикладные методы расчета физических полей", Крым,Симеиз,пос.Кащшели,1984 г. .Научно-техническом семинаре "Машинные методы решения краевых задач",Рита,1985 г.. Всесоюзном совещании "Аналитические методы расчета процессов тепло-я массссереноса", Душанбе, 1986 г., Научно-техническом семинаре "Применение машинных методов решения краевых инженерных задач", Одесса, 1987. г., УІ Всесоюзном семинаре "Обратные задачи и идентификация процессов теплообмена",Москва, 1987 г., УП конференции "Теплофизика-технологических процессов", Тольятти, І988ГІ., Научно-техническом се-ішнаре "Практическая реализация машинных методов решения краевых :*адач", Пенза, 1989 г., Научно-техническом совете Душанбинского по^.. литехнического института, 1989 г., Научно-техническом семинаре специализированного Совета Д 063.37.02 при Казанском государственном технологическом университете, Казань, 1993 г., Международной конференции "Идентификация динамических систем и обратные задачи", Санкт-Петербург, 1994 г., Первой Российской национальной конференции по теплообмену", Москва, 1994 г., Научно-техническом семинаре машиностроительного факультета Московского Государственного технического университета им. Н.Э.Баумана, Москва, 1994 г, Научно-техническом семинаре Московского государственного авиационного института, Москва, 1995 г.
ПУБЛИКАЦИИ. По результатам выполненных исследований опубликовано 80 научных работ (в том числе 30 работ в центральных изданиях), напечатана одна книга, два учебных пособия, получено три авторских свидетельства на изобретения.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, девяти глав, выводов, списка используемой литературы, приложений; изложена на 360 страницах основного машинописного текста, содержит ЦЗ рисунков и 15 таблиц. Список использованной литературы включает 179 наименований.
Похожие диссертации на Разработка приближенных аналитических методов расчета конвективно-кондуктивного теплообмена, теплопроводности и термоупругости в теплонапряженных элементах конструкций газотурбинных двигателей
