8. Задача определения температурного поля в лопатке газовой турбины.

8.1. Введение

Р ешается задача стационарной теплопроводности в сечении лопатки, рис. 8.1.

Рис.8.1. Сечение лопатки.

Дифференциальное уравнение теплопроводности

(8.1)

где -неизвестное температурное поле, -коэффициенты теплопроводности в направлении осей анизотропии, -внутренний источник теплоты.

Граничные условия трех основных типов:

-задание температуры на границе;

-задание теплового потока на границе, -направляющие косинусы внешней нормали к поверхности;

-теплообмен со средой по закону Ньютона, T₀- температура среды, h- коэффициент теплоотдачи на границе.

Задача решается в двумерной постановке. Лопатка окружена газом, обладающим высокой температурой. Через каналы пропускается воздух для ее охлаждения. В качестве граничных условий ставится теплообмен со средой по закону Ньютона. Заметим, что в разных сечениях по высоте лопатки изменяются температура и газа и воздуха, что отражено в предложенных вариантах параметров среды.

Особенностью работы лопатки является то, что коэффициент теплоотдачи сильно меняется на внешней поверхности из-за различия скоростей обтекания лопатки газом.

Варьируя размер каналов можно добиться значительного снижения температуры, но при этом нельзя допустить снижения прочностных свойств.

Задача решается в согласованных единицах: метры для длины, ⁰С для температуры, для коэффициента теплопроводности, для коэффициента теплоотдачи на границе.

8.2. Цели работы

1. Ознакомиться с решением задач стационарной теплопроводности.

2. Приобрести новые навыки работы в ANSYS: импорт геометрии, создание сплайнов и скруглений, задание свойств материалов, зависящих от температуры.

3. Провести анализ полученного температурного поля с целью возможной оптимизации конструкции.

8.3. Требования к отчету по работе

В отчете должна быть представлена постановка задачи, сформулированы цели, приведены численные значения всех параметров. Должны быть приведены картины распределений температуры и тепловых потоков. По результатам работы должны быть сделаны выводы.

8.4. Порядок проведения работы

Шаг 1. Импорт точек профиля из файла.

Точки сечения находятся в iges файле kps_coord.iges. Импорт производится следующим образом File  Import  IGES, все параметры по умолчанию, выбрать файл – нажать BROWSE  kps_coord.iges  OK.

Рис.8.2. Точки сечения	Рис.8.3. Сплайны

После перерисовки точек на экране должна быть картинка аналогичная рис.8.2.

Шаг 2. Создание выпуклой и вогнутой линий контура сечения лопатки

Эти линии будут созданы как сплайны на основе импортированных точек. Сначала создается сплайн на выпуклой поверхности, затем на вогнутой.

Create  Lines  Splines  Spline thru KPs необходимо выбрать точки, принадлежащие создаваемой линии, причем выбирать надо последовательно соседние точки.

После создания 2-х сплайнов получатся 2 линии аналогично рис.8.3. Сохранить базу.

Шаг 3. Создание скруглений между линиями

Сначала рассматривается широкий конец. Необходимо вытянуть линии на этом конце до их пересечения (последовательно для 2-х линий).

Operate  Extend Line Выбрать линию, OK выбрать точку на нужном конце линии, OK. В данной задаче для получения пересечения достаточно вытянуть линии на 0.03. Повторить для другой линии. Результат на рис.8.4.

Теперь нужно пересечь линии Operate  Booleans  Partition  Lines.

Теперь можно создать скругление Create  Lines  Line Fillet. Выбрать 2 линии для скругления, ввести радиус 0.005. Результат на рис.8.5. Две лишние линии надо удалить. Сохранить базу.

Рис.8.4. Пересечение линий	Рис.8.5. Создание скруглений

Проделать то же самое на тонком конце, радиус скругления 0.0015.

Теперь необходимо разбить линии для последующего приложения нагрузок.

Разбить по очереди длинные линии на 5 частей каждую Operate  Booleans  Divide Lines into N Ln’s, ввести NDIV равное 5.

Шаг 4. Создание поверхности по линиям.

Шаг 5. Создание отверстий воздушных каналов

Создать круглые поверхности.

Create Areas  Circle  Solid Circle. Координаты и радиусы приведены в таблице 8.1.

	1	2	3	4	5	6
WP X	-0.032	-0.015	0.0018	0.012	0.020	0.025
WP Y	-0.0004	-0.001	0.008	0.02	0.034	0.044
Radius	0.003	0.006	0.0045	0.003	0.002	0.001

Таблица 8.1 Параметрыотверстий.

Вычесть поверхности отверстий из поверхности сечения- создание геометрии закончено. Сохранить базу.

Шаг 6. Включение в базу элемента для решения задачи теплопроводности.

Добавить в базу элемент для расчета задач теплопроводности 77- Thermal Solid Quad.

Шаг 7. Включение в базу материала для решения задачи теплопроводности.

Создать материал Thermal, Conductivity  Isotropic. На появившейся панели надо задать зависимость коэффициента теплопроводности от температуры. Нажать Add Temperature. В появившейся таблице ввести 2 температуры 300 и 800 и соответствующие коэффициента теплопроводности 12.5 и 20.5 соответственно. Сохранить базу.

Шаг 8. Задание граничных условий.

Необходимо задать параметры теплообмена со средой (газом и воздухом ) по закону Ньютона- температуру среды и коэффициент теплоотдачи на границе. Температура газа и воздуха приведены в таблице в конце описания. Loads  Define Loads  Apply  Thermal  Convection  On Lines.

На всех линиях отверстий задается температура воздуха VAL2I Bulk Temperature и коэффициент теплоотдачи VALI Film coefficient 330, постоянные на линии. Можно задать сразу на всех линиях отверстий.

На внешних линиях необходимо задать постоянную температуру газа VAL2I Bulk Temperature и постоянный на линиях коэффициент теплоотдачи в соответствии с рис.8.5 через параметр VAL2I Film coefficient . Так как коэффициент теплоотдачи разный на разных линиях, необходимо работать с отдельными линиями.

Рис.8.5. Распределение коэффициента теплоотдачи на линиях, .

Шаг 9. Создание конечно-элементной сетки.

Задать глобальный размер сетки 0.001 и разбить поверхность на конечные элементы.

Шаг 10. Решение задачи.

Шаг 11. Анализ результатов.

Изучить распределение температуры и тепловых потоков. Картины распределений привести в отчете.

При построении картин распределения увеличить число контурных слоев.

PlotCtrls  Style  Contours  Uniform Contours  NCONT Number of contours ввести 15.

	1	2	3	4	5	6
Температура газа,0С	600	650	700	750	700	700
Температура воздуха,0С	300	350	400	450	500	550

Табл.8.2. Значения параметров внешних условий