Стационарный и нестационарный тепловой анализ. Термопрочностной анализ деталей авиадвигателей

Цель: Исследовать кинетику температур и главных компонентов нагруженного состояния модели охлаждаемой лопатки турбины при нагреве.

Ход работы

Для сокращения времени исследования теплового состояния расчет производят по упрощенной модели фрагмента лопатки турбины, который включает в себя три отверстия перфорации.

	Длина - 0,022 м; ширина - 0,02 м; высота - 0,01 м; диаметр центрального канала - 0,006 м; товщина верхней стенки - 0,0001 м; диаметр отверстий перфорации - 0,0006 м; расстояние между отверстиями - 0,001 м.

7.1 Построение упрощенной модели фрагмента лопатки турбины

Выполнили построение непосредственно в среде ANSYS по размерам, заданным на чертеже модели.

Задали необходимые физико-механические и теплофизические свойства материала. Принимаем, что свойства не зависят от температуры. Единицы измерения температуры задали градусы Цельсия. Для этого выбрали Celsius в разделе Temperature Units для свойств материала. В свойствах модели материала задаем поочередно все характеристики:

• модуль Юнга - 2·10¹¹ Па;

• коэффициент Пуассона – 0.3;

• коэффициент теплового расширения - 13·10^-6 м/ºС;

• плотность 8300 кг/м³;

• теплоемкость 0.134Дж/(кг·ºС);

• теплопроводность 50 Вт/(м·ºС);

• базовая температура 20ºC (комнатная).

Далее создали сетку КЭ. В данном случае был необходим метод генерирования свободной сетки, т.е. при разбивке выбрали тип Free. Требуемый тип КЭ – Solid 90. При задании размера в параметре Smart Size указали значение 4. Оптимальное число КЭ в модели – 7000-8000 штук.

7.2 Предварительные настройки для анализа модели

В данной практической работе нас интересовал тепловой анализ модели. В главном меню в разделе Preferences указали требуемый вид анализа – полный тепловой нестационарный (Transient, Full). Число шагов для расчета – 5, время окончания расчета – 0.1 сек, метод определения нагружения – однократный.

Решения каждого из пяти шагов расчета необходимо фиксировать в отдельном файле в виде лога происходящего.

Следующим шагом было задание граничных условий анализа. Т.к. расчет тепловой, показателями ограничений являлись коэффициент теплообмена модели с окружающей средой и температуру самой среды. Таких значений было 5, т.к. мы выбрали по одному узлу из каждой зоны: №66, №415, №420, №6173 и №6195. Для этого предварительно выделили только узлы на верхней поверхности блока.

Рисунок 7.1 – Модель, разбитая на сетку КЭ и с заданными граничными условиями

7.3 Результаты теплового анализа

Пользуясь инструментом для построения графиков, строим графики зависимости температуры поверхности от времени нагрева. Для этого добавляем 5 линий соответственно температурам в заданных узлах поверхности, с названиями TEMP_1, TEMP_2… и т.д. соответственно.

Рисунок 7.2 – Графики зависимости температуры от времени в пяти узлах верхней поверхности блока (с перфорацией).

Для больше наглядности мы отобразили температурные изменения в виде градиента на изображении модели.

Рисунок 7.3 – Результаты температурного анализа модели

Также отобразили напряжения, возникающие в детали из-за температурной нагрузки. Наибольшее напряжение возникает в местах перфорации, которые становятся концентраторами этих самых напряжений.

Рисунок 7.4 – Градиент напряжений от температурной нагрузки в модели

Вывод: В ходе выполнения практической работы была исследована кинетика температур и главных компонентов нагруженного состояния модели охлаждаемой лопатки турбины при ГТД. Одним из важнейших аспектов функционирования турбины является обеспечение необходимого уровня охлаждения деталей турбины для сохранения прочностных свойств материалов. Расчет охлаждаемых узлов, таких как рабочие и сопловые лопатки, требует особенно аккуратного и точного анализа. Современная охлаждаемая лопатка представляет собой сложно взаимосвязанную систему каналов, часто применяются несколько методов интенсификации теплообмена.