Автореферат (Конструктивное совершенствование системы плёночного охлаждения рабочих лопаток высокотемпературных турбин ГТД)

На правах рукописиМатушкин Антон АлексеевичКонструктивное совершенствование системы плёночногоохлаждения рабочих лопаток высокотемпературных турбин ГТД.05.07.05 – Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановкилетательных аппаратовАвтореферат диссертации на соискание учёной степени кандидататехнических наукМосква - 2012Работадвигателей»выполненанаМосковскогокафедре«Конструкцияавиационногоиинститутапроектирование(национальногоисследовательского университета) (МАИ).Научный руководитель:кандидат технических наук, доцент, НестеренкоВалерий ГригорьевичОфициальные оппоненты:Евдокимов Алексей Иннокентьевич, доктортехнических наук, профессор, ООО«Управляющая компания «Объединѐннаядвигателестроительная корпорация», ведущийспециалистВовк Михаил Юрьевич, кандидат техническихнаук, научно-технический центр им.

А.ЛюлькиОАО "НПО "Сатурн", начальникперспективного отделаВедущая организация:ОАО «Московское машиностроительноепредприятие им. В.В. Чернышѐва»Защита состоится «21» мая 2012г. В 13 час. 00 мин. на заседаниидиссертационного совета Д 212.125.08, созданного на базе Московскогоавиационного института (национального исследовательского университета)(МАИ), 125993, г.Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационногоинститута (национального исследовательского университета) (МАИ)Автореферат разослан «___» апреля 2012 г.Учѐный секретарьдиссертационного советад.т.н., профессорЮ.В.ЗуевОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы.

Газовые турбины относятся к числу самых напряженныхузлов конструкции ГТД, ограничивающих в большинстве случаев надежностьдвигателя и его ресурс. Повышение температуры газа перед турбиной являетсядейственным фактором, способствующим снижению массы ВРД при заданномзначении тяги или мощности. За длительный период проектирования ВРДотечественными и иностранными разработчиками максимальный уровень температургаза для двигателей новых поколений повысился до величин 1800…2200К.Наибольшуютрудностьпредставляеткакобеспечениеработоспособностиконструкции турбины, при таких высоких значениях температур, так и надежности иресурса сопловых и рабочих лопаток, особенно в турбине высокого давления.

Сучетом всего этого, для надежной работы и обеспечения ресурса средняя температураметалла лопаток, при имеющихся материалах, не должна превышать 1000...1100°С,при этом уровень максимально допустимых рабочих температур газа на входе втурбину непосредственно зависит от характеристик применяемого материала лопатоки эффективности системы охлаждения. Новые поколения охлаждаемых лопатоктурбин проектируются на увеличенные значения температуры газа перед турбиной,поэтому без повышение интенсивности системы охлаждения лопаток и, в частности,системы плѐночного охлаждения турбин, новые поколения двигателей быть созданыне могутОбъектом исследования в настоящей работе являются рабочие лопаткитурбин высокого давления современных и перспективных авиационных ГТД,температура газа на входе которых равна 1700≤Тг≤1900 К с внутреннимконвективным и наружным плѐночным охлаждением профиля на его вогнутойстороне, а так же конструктивные элементы системы плѐночного охлаждениянаружных вогнутых поверхностей рабочих лопаток..

В работе рассмотрены форма иориентация каналов (щели) плѐночного охлаждения, оптимизированные с цельювозможного повышения их эффективности.Таким образом, цель данной работы состоит в следующем: разработка новыхисовершенствованиеизвестныхконструктивныхспособовповышенияэффективности плѐночного охлаждения наиболее горячих участков наружнойповерхности рабочих лопаток ГТД, для снижения их температурных градиентов,увеличения надѐжности и ресурса.1В рамках указанной цели были сформулированы и решены следующие задачи:1.Определение влияния формы и ориентации охлаждающих каналов наэффективность образования защитной плѐнки на наружной вогнутой поверхностилопатки.2.Разработка конструктивных мер по снижение температуры потока газаомывающего вогнутую часть поверхности лопатки.Научную новизну работы составляют:1. Разработка методики проектирования формы, размеров и расположениящели, обеспечивающей эффективную защитную плѐнку на вогнутой поверхностиохлаждаемой лопатки.2.

Разработка классификатора дискретных каналов плѐночного охлаждения,отличающихся уровнем их эффективности.Достоверность и обоснованность результатов исследования подтвержденаданными модельных экспериментов, проведѐнных автором, а так же даннымиэкспериментов взятыми из открытых источников, в том числе зарубежных.Практическаяценностьработы.Полученныерезультатыпозволяютрекомендовать комбинированную систему охлаждения, состоящую из локальныхотверстий малого диаметра, расположенных на входной кромке лопатки рабочегоколеса турбины, а также на выпуклой поверхности профиля пера (при наличии такойнеобходимости), а также щели (щелей), располагаемых на вогнутой поверхности перавдоль высоты лопатки, с целью снижения уровня градиентов температур междувыпуклой и вогнутой стороной лопатки и повышения интенсивности охлаждения еѐвогнутой стороны, что позволяет на этапе проектирования создать лопатку сповышенной эффективностью, относительно плѐночного охлаждения, реализуемогосистемой дискретных каналов, направляющих поток охлаждающего воздуха подуглом к траектории горячего газа, обтекающего профиль пера охлаждаемой лопаткирабочего колеса ТВД.

Систематизировано и рекомендовано к применению множествоконструктивных форм комбинированных каналов цилиндрической формы, которыепозволяют повысить эффективность охлаждения профильной части лопатки посравнению с системой одиночных каналов, применяемых в настоящее время.Использование результатов. Результаты работы могут использоваться ворганизациях,занимающихсяпроектированиемавиационныхГТДприпроектировании рабочих лопаток высокотемпературных турбин. Так же результаты2могут использоваться в учебном процессе, для профилирования турбинных решѐток.В настоящее время результаты работы используются в научных исследованиях иучебном процессе кафедры конструкции и проектирования авиационных двигателейлетательных аппаратов Московского авиационного института (национальногоисследовательского университета).Апробация работы.

Результаты диссертационной работы были доложены намолодѐжная аэрокосмической школе 2009г. (г. Алушта, Украина), 8-й международнойконференции "Авиация и космонавтика 2009" (г.Москва, Россия), X Всероссийскойнаучно-технической конференции и школы молодых учѐных, аспирантов и студентов"Научные исследования в областитранспортных, авиационных и космическихсистем АКТ-2009" (г.Воронеж, Россия), заочной научно-технической конференции"Перспективные разработки в авиадвигателестроении, «климовские чтения" (г.СанктПетербург,Россия),3-еймеждународнойнаучно-техническаяконференции"Авиадвигатели XXI века" (г.Москва, Россия). В результате работы было выполненодва гранта П678 и 14.740.11.1286.Личный вклад автора.

Автором проведены следующие работы:1. Выполнены расчѐты по истечению газа из каналов различной формы вспутный поток и верификация получаемых результатов расчѐтов.2. Разработаны математические модели рабочих лопаток с различнымисистемами плѐночного охлаждения, включая новую модель с системой щелевогоохлаждения, где охлаждающий воздух выпускается на поверхность вогнутой частипера лопатки параллельно основному потоку, обеспечивая тем самым повышенныйуровеньэффективностиохлаждениянаружнойповерхностилопаткиидальнобойности защитной плѐнки.3. Проведена экспериментальная работа по проливкам лопаток с щелевымохлаждением и применяемым в настоящее время плѐночным охлаждением.4. Выполнены 3D расчѐты по взаимодействию струи охлаждающего воздуха соспутным потоком газа обтекающим профильную часть лопаток с щелевымохлаждением и плѐночным охлаждением, осуществляемым через цилиндрическиеканалы под углом к поверхности профиля.3Основные положения, выносимые на защиту:- Методика проектирования щелей, расположенных на вогнутой сторонепрофиля лопаток ТВД с высокой температурой газа перед турбиной 1700…1800К безтеплообменника, снижающего температуру охлаждающего воздуха.- Конструкция и форма щели, выпускающей охлаждающий воздух на вогнутуюповерхность лопатки параллельно стенки профиля- Результаты расчѐтов модели охлаждаемой лопатки с дискретными каналами,обеспечивающими струйное охлаждение и выпускающих охлаждающий воздух подуглом к поверхности профиля и лопатки с щелевыми каналами, расположенными навогнутой поверхности профиля и вдув охлаждающего воздуха в пограничный слойгаза на поверхности лопатки.- Экспериментальные результаты проливки моделей лопатки с дискретнымиканалами, и лопаток с одной и двумя щелями, на еѐ вогнутой поверхности,подтверждающими примерное равенство расходов через дискретные каналы и щель ввыполненных конструкциях.Публикации.Поматериаламдиссертацииопубликовано8работ,изних2врекомендованных ВАК изданиях.Структура и объѐм работы.Диссертациясостоитизвведения,пятиглавизаключения,спискаиспользуемой литературы.

Общий объѐм диссертации составляет 127 страницы.Библиографический список используемой литературы насчитывает 85 наименований.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обосновывается актуальность работы, формулируется цельисследования, его задачи, отмечается научная новизна работы, дается ее краткаяхарактеристика и формулируются основные положения, выносимые на защиту.В первой главе содержится анализ конструктивных схем систем охлаждениялопаток рабочего колеса современных и перспективных высокотемпературныхтурбин высокого давления. Рассматриваются различные системы открытогоохлаждения турбин авиационных двигателей, схемы подвода охлаждающего воздухак рабочим лопаткам турбин высокого давления и конструктивные схемы ихохлаждения.4В разделе 1.1 содержится анализ существующих схем охлаждения турбин, вчастности:открытойсхемыохлаждения,замкнутойсхемыохлаждения,полузамкнутой схемы охлаждения с отбором воздуха из компрессора и возвратом егов компрессор.