Расчётная оценка теплового и напряжённо-деформированного состояния стенок жаровой трубы кольцевой камеры сгорания

Авиационная и ракетно-космическая техника

Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов


Авторы

Анисимов В. М.*, Орлов М. Ю.**, Зубрилин И. А.***

Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева, Московское шоссе, 34, Самара, 443086, Россия

*e-mail: vradik@mail.ru
**e-mail: adler65@mail.ru
***e-mail: zubrilin416@mail.ru

Аннотация

Разработана методика расчёта теплонапряжённого состояния стенки жаровой трубы (ЖТ) камеры сгорания (КС) газотурбинного двигателя (ГТД) наземного применения с помощью программного пакета ANSYS Fluent. Исследовано влияние теплозащитного покрытия (ТЗП) на тепловое состояние стенок жаровой трубы. Выполнена доводка системы конвективно-плёночного охлаждения стенок жаровой трубы за счёт перераспределения площадей отверстий охлаждения между её поясами при сохранении суммарного расхода воздуха, идущего на охлаждение стенок жаровой трубы. Определены напряжения и деформации, возникающие вследствие прогрева стенок жаровой трубы. Созданная методика определения теплового и напряжённо-деформированного состояния стенок жаровой трубы может быть применена в расчётах камер сгорания, выполненных с использованием различных материалов жаровых труб и теплозащитного покрытия. Она позволяет выявить расчётным путём наиболее опасные с точки зрения прогара места и разработать мероприятия по их ликвидации на стадии проектирования изделия.

Ключевые слова

жаровая труба, теплозащитное покрытие, система охлаждения, тепловое состояние, напряжение и деформации, компьютерное моделирование, сопряжённая геометрическая модель

Библиографический список

  1. Park J.S., Moon H., Kim K.M., Kang S.H., Cho H.H. Thermal Analysis of Cooling System in a Gas Turbine Transition Piece // Proceeding of ASME Turbo Expo 2011, pp. 1-10.

  2. Jeromin A., Eichier C., Noll B., Aigner M. Full 3D Conjugate Heat Transfer Simulation and Heat Transfer Coefficient Prediction for the Effusion Сooled Wall of a Gas Turbine Combustor // Proceeding of ASME Turbo Expo 2008 Power for Land, Sea and Air, pp. 1-9.

  3. Bouchard D., Pucher G., Allan W.D.E. Can-Annular Combustion Chamber Surface Temperatures Measurements and Damage Signatures at Operationally Representative Conditions // Proceeding of ASME Turbo Expo 2011, pp. 1-9.

  4. Jie H., Jinhai G. Local Thermal Buckling Analysis Method of Combustor Liner // Proceeding of ASME Turbo Expo 2009: Power for Land, Sea and Air, pp. 1-13.

  5. Patil S., Abraham S., Tafti D., Ekkad S., Kim Y., Dutta P., Moon H.K., Srinivasan R. Experimental and Numerical Investigation of Convective Heat Transfer in a Gas Turbine Can Combustor // Proceeding of ASME Turbo Expo 2009: Power for Land, Sea and Air, pp. 1-9.

  6. Da Soghe R., Bianchini C., Andreini A., Mazzei L. Thermo-Fluid Dynamic Analysis of a Gas Turbine Transition-Piece // Proceeding of ASME Turbo Expo 2014: Turbine Technical Conference and Exposition, pp. 1-12.

  7. Andreini A., Facchini B., Mazzei L., Bellocci L., Turrini F. Assessment of Aero-Thermal Design Methodology For Effusion Cooled Lean Burn Annular Combustors // Proceeding of ASME Turbo Expo 2014: Turbine Technical Conference and Exposition, pp. 1-11.

  8. Vassiliev V., Magni F., Chernyshev S., Kostege V. Impact of the 3D Flow Effects on the Silo Combustor Thermal State // Proceeding of ASME Turbo Expo 2012, pp. 1-10.

  9. Воробьёв А.Г. Математическая модель теплового состояния ЖРД малых тяг // Вестник Московского авиационного института. 2007. Т. 14. № 4. С. 42-49.

  10. Коватева Ю.С., Богачева Д.Ю. Оценка теплового состояния камеры сгорания жидкостных ракетных двигателей малой тяги, работающих на экологически чистых компонентах топлива // Труды МАИ. 2013. № 65. URL: http://www.mai.ru/science/trudy/published.php?ID=40191

  11. Колесник С.А., Формалев В.Ф., Селин И.А. Математическая модель и программный комплекс сопряжённого теплообмена между вязкими газодинамическими течениями и охлаждаемыми лопатками газовых турбин // Труды МАИ. 2015. № 80. URL: http://www.mai.ru/science/trudy/published.php?ID=56941

  12. Матвеев С.Г., Орлов М.Ю., Зубрилин И.А. Исследование влияния воспламенителя, подвеса жаровой трубы и соплового аппарата турбины на характеристики камеры сгорания // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. акад. С.П. Королева. 2013. № 3. Ч.1. С. 156-162.

  13. Матвеев С.Г., Орлов М.Ю., Зубрилин И.А., Матвеев С.С., Цыбизов Ю.И. Влияние неравномерности параметров потока за компрессором на характеристики камеры сгорания ГТД // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. акад. С.П. Королева. 2013. № 3. Ч.1. С. 163-169.

  14. Матвеев С.Г., Ланский А.М., Орлов М.Ю., Абрашкин В.Ю., Дмитриев Д.Н., Зубрилин И.А., Семенов А.В. Моделирование процессов горения пропана при переводе камеры сгорания ГТД на газообразное топливо // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. акад. С.П. Королева. 2011. № 5. С. 168-178.

  15. Матвеев С.Г., Орлов М.Ю., Абрашкин В.Ю., Зубрилин И.А., Матвеев С.С. Моделирование аэродинамической структуры течения в камере сгорания малоразмерного ГТД с помощью САЕ-систем // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. акад. С.П. Королева. 2011. № 5. С. 179-187.

  16. Grotjans H., Menter F.R. Wall functions for general application CFD codes // Proceedings of the Fourth European Computational Fluid Dynamics Conference, 1998, pp. 1112-1117.

  17. Gibson M.M., Launder B.E. Ground Effects on Pressure Fluctuations in the Atmospheric Boundary Layer // Journal of Fluid Mechanics, 1978, pp. 491-511.

  18. Launder B.E. Second-Moment Closure: Present... and Future? // International Journal of Heat and Fluid Flow, 1989, vol. 10, no. 4, pp. 282-300.

  19. Launder B.E., Reece G.J. Progress in the Development of a Reynolds-Stress Turbulence Closure // Journal of Fluid Mechanics, vol. 68, no. 3, 1975, pp. 537-566.

  20. Крылов Б.А., Мануйлов А.А., Федоров С.А., Юн А.А. Основные принципы выбора моделей турбулентности, используемых при расчёте полей скоростей и температурного состояния системы охлаждения стенок жаровой трубы основной камеры сгорания газотурбинного двигателя // Вестник Московского авиационного института. 2010. Т. 17. № 5. С. 111-115.

  21. Anderson W., Bonhus D.L. An Implicit Upwind Algorithm for Computing Turbulent Flows on Unstructured Grids // Computers & Fluids. 1994. 23(1). Pp. 1-21.

  22. Oijen A., Goey L.P.H. Modelling of Premixed Laminar Flames Using Flamelet-Generated Manifolds // Combustion Science and Technology. 2000. 161. Pp. 113-137.

  23. ANSYS 15.0 User’s Guide.

  24. Авиационные материалы: Справочник / Под ред. Р.Е. Шалина. – М.: ВИАМ, 1989. – 566 с.

  25. Тамарин Ю.А., Качанов Е.Б. Свойства теплозащитных покрытий, наносимых электроннолучевой технологией // Новые технологические процессы и надёжность ГТД. ЦИАМ. 2008. Вып. 7. С. 125-144.

  26. Юрченко И.И., Каракотин И.Н., Кудинов А.С. Влияние свойств теплозащитных покрытий на тепловые потоки к поверхностям сверхзвуковых летательных аппаратов и методы оптимизации теплозащиты // Труды МАИ. 2011. № 43. URL: http://www.mai.ru/science/trudy/published.php?ID=24786

  27. Coppalle A., Vervisch P. The Total Emissivities of High-Temperature Flames // Combustion and Flame. 1983, pp. 101-108.

  28. Старцев Н.И. Конструкция и проектирование основных узлов и систем авиационных двигателей и энергетических установок: Учеб. — Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2013. — 774 с.



Скачать статью

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2024