Введение к работе
Актуальность темы. Газовые турбины относятся к числу самых напряженных узлов конструкции ГТД, ограничивающих в большинстве случаев надежность двигателя и его ресурс. Повышение температуры газа перед турбиной является действенным фактором, способствующим снижению массы ВРД при заданном значении тяги или мощности. За длительный период проектирования ВРД отечественными и иностранными разработчиками максимальный уровень температур газа для двигателей новых поколений повысился до величин 1800...2200К. Наибольшую трудность представляет как обеспечение работоспособности конструкции турбины, при таких высоких значениях температур, так и надежности и ресурса сопловых и рабочих лопаток, особенно в турбине высокого давления. С учетом всего этого, для надежной работы и обеспечения ресурса средняя температура металла лопаток, при имеющихся материалах, не должна превышать 1000...1100С, при этом уровень максимально допустимых рабочих температур газа на входе в турбину непосредственно зависит от характеристик применяемого материала лопаток и эффективности системы охлаждения. Новые поколения охлаждаемых лопаток турбин проектируются на увеличенные значения температуры газа перед турбиной, поэтому без повышение интенсивности системы охлаждения лопаток и, в частности, системы плёночного охлаждения турбин, новые поколения двигателей быть созданы не могут
Объектом исследования в настоящей работе являются рабочие лопатки турбин высокого давления современных и перспективных авиационных ГТД, температура газа на входе которых равна 1700<Тг<1900 К с внутренним конвективным и наружным плёночным охлаждением профиля на его вогнутой стороне, а так же конструктивные элементы системы плёночного охлаждения наружных вогнутых поверхностей рабочих лопаток.. В работе рассмотрены форма и ориентация каналов (щели) плёночного охлаждения, оптимизированные с целью возможного повышения их эффективности.
Таким образом, цель данной работы состоит в следующем: разработка новых и совершенствование известных конструктивных способов повышения эффективности плёночного охлаждения наиболее горячих участков наружной поверхности рабочих лопаток ГТД, для снижения их температурных градиентов, увеличения надёжности и ресурса.
В рамках указанной цели были сформулированы и решены следующие задачи:
Определение влияния формы и ориентации охлаждающих каналов на эффективность образования защитной плёнки на наружной вогнутой поверхности лопатки.
Разработка конструктивных мер по снижение температуры потока газа омывающего вогнутую часть поверхности лопатки.
Научную новизну работы составляют:
Разработка методики проектирования формы, размеров и расположения щели, обеспечивающей эффективную защитную плёнку на вогнутой поверхности охлаждаемой лопатки.
Разработка классификатора дискретных каналов плёночного охлаждения, отличающихся уровнем их эффективности.
Достоверность и обоснованность результатов исследования подтверждена данными модельных экспериментов, проведённых автором, а так же данными экспериментов взятыми из открытых источников, в том числе зарубежных.
Практическая ценность работы. Полученные результаты позволяют рекомендовать комбинированную систему охлаждения, состоящую из локальных отверстий малого диаметра, расположенных на входной кромке лопатки рабочего колеса турбины, а также на выпуклой поверхности профиля пера (при наличии такой необходимости), а также щели (щелей), располагаемых на вогнутой поверхности пера вдоль высоты лопатки, с целью снижения уровня градиентов температур между выпуклой и вогнутой стороной лопатки и повышения интенсивности охлаждения её вогнутой стороны, что позволяет на этапе проектирования создать лопатку с повышенной эффективностью, относительно плёночного охлаждения, реализуемого системой дискретных каналов, направляющих поток охлаждающего воздуха под углом к траектории горячего газа, обтекающего профиль пера охлаждаемой лопатки рабочего колеса ТВД. Систематизировано и рекомендовано к применению множество конструктивных форм комбинированных каналов цилиндрической формы, которые позволяют повысить эффективность охлаждения профильной части лопатки по сравнению с системой одиночных каналов, применяемых в настоящее время.
Использование результатов. Результаты работы могут использоваться в организациях, занимающихся проектированием авиационных ГТД при проектировании рабочих лопаток высокотемпературных турбин. Так же результаты
могут использоваться в учебном процессе, для профилирования турбинных решёток. В настоящее время результаты работы используются в научных исследованиях и учебном процессе кафедры конструкции и проектирования авиационных двигателей летательных аппаратов Московского авиационного института (национального исследовательского университета).
Апробация работы. Результаты диссертационной работы были доложены на молодёжная аэрокосмической школе 2009г. (г. Алушта, Украина), 8-й международной конференции "Авиация и космонавтика 2009" (г.Москва, Россия), X Всероссийской научно-технической конференции и школы молодых учёных, аспирантов и студентов "Научные исследования в области транспортных, авиационных и космических систем АКТ-2009" (г.Воронеж, Россия), заочной научно-технической конференции "Перспективные разработки в авиадвигателестроении, «климовские чтения" (г.Санкт-Петербург, Россия), 3-ей международной научно-техническая конференции "Авиадвигатели XXI века" (г.Москва, Россия). В результате работы было выполнено два гранта П678 и 14.740.11.1286.
Личный вклад автора. Автором проведены следующие работы:
1. Выполнены расчёты по истечению газа из каналов различной формы в
спутный поток и верификация получаемых результатов расчётов.
2. Разработаны математические модели рабочих лопаток с различными
системами плёночного охлаждения, включая новую модель с системой щелевого
охлаждения, где охлаждающий воздух выпускается на поверхность вогнутой части
пера лопатки параллельно основному потоку, обеспечивая тем самым повышенный
уровень эффективности охлаждения наружной поверхности лопатки и
дальнобойности защитной плёнки.
3. Проведена экспериментальная работа по проливкам лопаток с щелевым
охлаждением и применяемым в настоящее время плёночным охлаждением.
4. Выполнены 3D расчёты по взаимодействию струи охлаждающего воздуха со
спутным потоком газа обтекающим профильную часть лопаток с щелевым
охлаждением и плёночным охлаждением, осуществляемым через цилиндрические
каналы под углом к поверхности профиля.
Основные положения, выносимые на защиту:
- Методика проектирования щелей, расположенных на вогнутой стороне
профиля лопаток ТВД с высокой температурой газа перед турбиной 1700... 1800К без
теплообменника, снижающего температуру охлаждающего воздуха.
Конструкция и форма щели, выпускающей охлаждающий воздух на вогнутую поверхность лопатки параллельно стенки профиля
Результаты расчётов модели охлаждаемой лопатки с дискретными каналами, обеспечивающими струйное охлаждение и выпускающих охлаждающий воздух под углом к поверхности профиля и лопатки с щелевыми каналами, расположенными на вогнутой поверхности профиля и вдув охлаждающего воздуха в пограничный слой газа на поверхности лопатки.
Экспериментальные результаты проливки моделей лопатки с дискретными каналами, и лопаток с одной и двумя щелями, на её вогнутой поверхности, подтверждающими примерное равенство расходов через дискретные каналы и щель в выполненных конструкциях.
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 8 работ, из них 2 в рекомендованных ВАК изданиях.
Структура и объём работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, списка используемой литературы. Общий объём диссертации составляет 127 страницы. Библиографический список используемой литературы насчитывает 85 наименований.
