М. А. Вишняков
Самарский государственный технический университет
Публикуем вторую часть работы.
Расчет теплового состояния при охлаждении толстостенных деталей криволинейного профиля проводился в ANSYS на примере елочного замка диска турбины. Данная задача решалась в трехмерной постановке. В качестве модели был взят замок и часть диска, по величине соизмеримая с размерами замка. Последнее сделано для максимального приближения методики расчета к реальным условиям процесса термоупрочнения паза диска турбины, а также с целью уменьшения размерности модели, так как нижняя часть диска практически не влияет на теплонапря-женное состояние в замке. Поверхности, к которым граничные условия не прикладываются, считаются адиабатическими (без теплообмена). Для обеспечения корректности расчетов тепловой анализ проводился для варианта конечноэлементной модели с 17 888 элементами и 20 988 узлами, при этом коэффициент теплоотдачи а{Т) прикладывается равномерно к торцу и боковым поверхностям.
Моделирование нагрева выступа паза осуществлялось путем приложения к узлам модели температуры 700 °С. Это был первый шаг решения. В связи с тем, что на практике минимальное время спрейерного охлаждения при ТПУ составляет 3...4 с, далее к торцовой и боковой поверхностям прикладывалась тепловая нагрузка, которая действовала 3 с.
В течение этого времени коэффициент теплоотдачи изменялся в зависимости от температуры охлаждаемой поверхности таким образом, что перед охлаждением при температуре 700 °С он составлял «(7)=50-103 Вт/м2-°С, затем он постепенно повышался, достигая при 200 °С значений а(Т) =250-103 Вт/м2-°С, а после этого резко падал при 20 °С практически до уровня конвективного теплообмена. Для обеспечения необходимой точности теплового расчета интервал времени 3 с был разбит на шаги и подшаги. В дальнейшем эти значения температур были использованы при расчете напряженного состояния. Перед следующими шагами нагружения (после 3 с) температурозависимый коэффициент теплоотдачи удалялся и к тем же поверхностям прикладывалась постоянная величина а(Т), равная 10 Вт/м2-°С, что приблизительно соответствует свободной конвекции (охлаждение на воздухе).
Время окончания расчета выбиралось из условия равномерного охлаждения всего паза до температуры, близкой к температуре окружающей среды, и составило 24 800 с. При проведении теплового расчета была также учтена зависимость свойств материала диска - жаропрочной стали 20Х12ВНМФ (модуля упругости, коэффициента линейного расширения и т. д.), от температуры.
С целью обеспечения корректности результатов теоретических расчетов тепловых полей были проведены соответствующие экспериментальные исследования. Для реализации этой задачи был подготовлен специальный образец, вырезанный из ободной части диска турбины и представляющий собой правую половину паза диска, в который по определенной схеме были установлены хромел ь-алюмелевые термопары (рис. 1). Термопары 1,2 и 3 расположены на верхней стороне выступа в отверстиях глубиной 4 мм, а термопары 4, 5, 6 и 7 - на его боковых поверхностях (термопары 6 и 7 расположены на левой половине паза, поэтому на рис. 1 они не показаны). Указанное расположение предопределено тем, что при нагреве, а он осуществлялся с применением газовой горелки, направленной на выступ между пазами, необходимо, чтобы пламя омывало все поверхности, постепенно прогревая его объем. Последующее затем спрейерное охлаждение водой должно с максимальной эффективностью обеспечить понижение температуры поверхностных слоев нагретого образца.
Рис.1 - Схема расположения термопар в пазу диска турбины
Источник - "Вестник Самарского Государственного Аэрокосмического университета имени Академика С.П. Королёва", выпуск №1, печатная версия.
Полную версию статьи со всеми чертежами, формулами и приложениями см. в печатной версии журнала.
Продолжение следует.