Введение к работе
Актуальность работы
Развитие газотурбинных двигателей (ГТД) идет по пути увеличения степени повышения давления и максимальной температуры рабочего тела в цикле. С одной стороны, это обусловило возрастание роли лопаточных машин в обеспечении высоких эксплуатационных качеств двигателя, а с другой, привело к существенному усилению зависимости эффективности турбины от негативных влияний концевых явлений в проточной части из-за уменьшения относительных геометрических размеров лопаточных венцов.
Особенно актуальными указанные проблемы представляются в отношении высокотемпературных турбин ГТД, что связано с их высокой аэродинамической нагруженностью и с необходимостью иметь развитую систему охлаждения лопаток и других элементов конструкции, воспринимающих тепловые потоки от газа. Высокая газодинамическая нагруженность ступеней турбины способствует расширению зоны вторичных течений в лопаточных венцах. В результате чего растут потери, связанные с взаимодействием вторичных вихрей с охладителем. Лопатки сопловых аппаратов современных двигателей становятся короткими, при этом вторичные вихри, образовавшиеся на противоположных торцевых поверхностях, начинают взаимодействовать между собой.
В течение нескольких десятилетий на кафедре авиационных двигателей РГАТУ им. П. А. Соловьева под руководством Е. Н. Богомолова проводились исследования газодинамики лопаточных машин. В. В. Лебедев занимается изучением характеристик и моделированием вторичных течений. В работах А. Е. Ремизова представлены исследования турбинных решеток при доминирующем влиянии вторичных течений. Исследование угловых характеристик потока в турбинных решетках проводилось В. В. Вятковым. Поэтому в продолжение развития одного из ведущих направлений научной деятельности кафедры Авиационных двигателей в диссертационной работе была поставлена задача - исследовать влияние выдува охладителя на потери и углы выхода потока в сопловых аппаратах газовых турбин при преобладающем влиянии вторичных течений, то есть в сопловых аппаратах с короткими лопатками.
За последнее время в открытой печати не появились данные по исследованию газодинамики охлаждаемых турбин с короткими лопатками, а исследования, проводимые ранее, касаются только высоких лопаток, в которых не происходит смыкание вторичных вихрей. Проведенное исследование является актуальным, несет новую информацию, содержит обобщающие зависимости, поэтому обладает признаками научной новизны.
Цель работы
Исследовать влияние системы завесного охлаждения на потери и углы выхода потока в сопловых аппаратах газовых турбин для разработки методов быстрой инженерной оценки аэродинамических характеристик решеток.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
-
Проанализировать результаты исследований российских и зарубежных научных институтов в области взаимодействия, характеристик, и моделирования течения в сопловых аппаратах охлаждаемых газовых турбин.
-
Провести экспериментальное и численное исследование по определению влияния выдува воздуха через перфорации и щель на вогнутой поверхности профиля лопатки на потери энергии и углы выхода потока в решетке.
3. Проанализировать влияние высоты решетки на потери от системы
охлаждения и угол выхода потока из охлаждаемой решетки, разработать методы
оценки указанных величин на стадии предварительного проектирования турбин.
Методы исследования
Для решения поставленных задач использовались аэродинамический эксперимент и численное моделирование.
Достоверность и обоснованность результатов
1.Достигается применением экспериментально-исследовательского
оборудования, соблюдением условий подобия, применением сертифицированных средств при обработке экспериментальных данных.
2. Подтверждается соответствием полученных данных наблюдениям и описаниям других исследователей, совпадением полученных в ходе исследования расчетных и экспериментальных данных.
На защиту выносятся:
1. Результаты экспериментального и численного исследования влияния
выдува воздуха через перфорации и щель на вогнутой поверхности профиля
лопатки на потери и углы выхода потока в решетке.
-
Зависимость для оценки потерь от охлаждения для коротких лопаток.
-
Соотношения для оценки угла выхода потока из решетки, позволяющие корректировать угол выхода, полученный без охлаждения.
Научная новизна:
1. Полученные экспериментальные данные о влиянии выдува воздуха на
аэродинамические характеристики коротких сопловых решеток отражают
зависимость потерь от местоположения ряда перфораций и параметров
хладагента.
2. Установлена зависимость потерь от выдува воздуха на вогнутой
поверхности профиля для различных типов решеток. Предложено эмпирическое
соотношение для оценки этих потерь.
3. Выявлено влияние выдува воздуха на угол выхода потока из решетки. Установлена зависимость угла выхода потока для различных типов решеток от параметров и места выдува.
Практическая полезность
Разработанные рекомендации позволяют увеличить КПД охлаждаемых газовых турбин и сократить сроки доводки новых изделий.
Реализация результатов
Результаты работы реализованы в виде уточнения существующей одномерной методики расчета потерь и углов выхода потока в венцах охлаждаемых газовых турбин, в том числе и с короткими лопатками, в ОАО «НПО «Сатурн».
Апробация работы
Основные результаты работы были представлены и обсуждались на следующих российских и международных конференциях: Международная научно-техническая конференция «Энергетические установки: тепломассообмен и процессы горения», г. Рыбинск, 2009 г.; XVII Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А. И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в аэрокосмических технологиях», г. Жуковский, 2009 г.; XXXV Международная молодежная конференция. Гагаринские чтения, Москва, МАТИ, 2009 г.; XXXI Всероссийская конференция «Наука и технологии», г. Миасс, 2011 г.
Публикации
Основные материалы диссертации опубликованы в 4 статьях в журналах, рекомендованных ВАК, 4 статьях в сборниках трудов и 2 тезисах докладов.
Структура и объем работы
