МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕСТАЦОНАРНОГО ТЕРМОНАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ЛОПАТКИ ГТУ

Аннотация

В работе предлагается методика приближенного расчета температурного поля турбинной лопатки при нестационарном режиме средствами CFD-моделирования. В качестве средства моделирования использовалась академическая версия программного комплекса ANSYS-Fluent.

В работе были рассчитаны локальные значения коэффициента теплоотдачи по контуру профиля лопатки. Предварительно был проведен расчет скорости течения газа в криволинейном межлопаточном канале для определения распределения скорости потока газа вдоль выпуклой и вогнутой поверхностей лопатки. Сравнение полученных таким образом данных с результатом обработки опыта, проведенного на турбине, показывает, что в условиях реальной вращающейся установки теплообмен к поверхности лопатки был приблизительно в 2 раза выше. Наиболее вероятной причиной такого расхождения является более раннее начало перехода к турбулентному пограничному слою на поверхности лопатки в реальных условиях высокой турбулентности набегающего потока. Расчеты свидетельствуют, что в случае резкого изменения температуры газа наибольшая разность температур в лопатке возникает через несколько секунд и достигает 50…90% от величины изменения температуры газа, а в лопатках с тонкими кромками – близка к этой величине. Увеличение толщины кромок позволяет значительно снизить неравномерность температуры в лопатках при резких изменениях температуры газа.

С целью выявления характера напряженного состояния лопаток при различных режимах работы газотурбинной установки, были рассчитаны температурные напряжения в лопатке. Расчет проводился для осредненных по Мизесу напряжений s в поперечном сечении неравномерно нагретой лопатки. При запуске установки максимум напряжений возникал через 30…40 секунд после начала разворота ротора почти одновременно с возникновением максимума разности температур кромок и центральной части сечения. Наибольшие значения напряжений имели место в области входной кромки, где они превышали 680 МПа на сжатие. В дальнейшем температурные напряжения уменьшались и даже меняли знак из-за процесса охлаждения лопатки, перегретой при забросе температуры газа.

Ключевые слова: CFD-модель, твердотельное моделирование, температурное поле, перо лопатки, теплоотдача, газотурбинная установка.