Лопатка турбины с конвективно-пленочным охлаждением

Лопатка турбины с конвективно-пленочным охлаждением

 

При проектировании турбореактивного двигателя особое внимание уделяют износостойкости его деталей. Это необходимо, чтобы продлить срок эксплуатации двигателя, не прибегая к дорогостоящему ремонту. Так, например, стоимость замены охлаждаемых лопаток – основной детали турбины, которая принимает на себя весь тепловой удар, – может достигать 50% от общей стоимости ремонта всего двигателя. Поэтому важной задачей является создание надежных и долговечных лопаток. Для этого ученые Пермского Политеха разработали методику, которая позволяет получать достоверные прогнозы теплового состояния лопаток расчетным путем. Более точные расчеты позволят заранее прогнозировать возможное появление различных дефектов ­– прогары, трещины – и принимать меры по их устранению. В настоящее время результаты исследования применяются для проектирования отечественных двигателей.

Работа пермских ученых опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника», 2022.

– Одной из ключевых технологий, которая обеспечивает надежность современных газовых турбин, является охлаждение ее лопаток. Для этого лопатки делают полыми, со сложной системой каналов, по которым циркулирует сравнительно холодный – 500-700°C – воздух. Таким образом, осуществляется конвективное охлаждение. Далее через ряды отверстий воздух выпускается на поверхность и формирует тонкую пленку, препятствуя контакту лопатки с горячим газом. Такой вид охлаждения называется пленочным, – рассказывает аспирант кафедры авиационных двигателей ПНИПУ, инженер-конструктор-расчетчик отделения турбин АО «ОДК-Авиадвигатель» Станислав Пискунов.

Для описания турбулентных течений жидкости или газа в двигателе используют математические модели, называемые моделями турбулентности. Они позволяют экономить вычислительные ресурсы, но из-за упрощений не всегда дают достоверные результаты расчетов. Поэтому для исследования теплового состояния лопаток газовых турбин необходимо проводить дополнительную проверку и настройку используемой  модели турбулентности.

– Наша основная задача заключалась в том, чтобы определить, насколько корректно модель турбулентности прогнозирует эффективность основных видов охлаждения лопаток турбин. Для этого мы провели ряд расчетов воздушной пленки, которая выпускалась на поверхность пластины, омываемой горячим газом. Полученные результаты мы сравнили с результатами эксперимента, описанного в научной литературе. Так удалось определить, какие значения констант модели подходят для задач пленочного и конвективного охлаждения, – рассказывает аспирант кафедры авиационных двигателей ПНИПУ, инженер-конструктор-расчетчик отделения турбин АО «ОДК-Авиадвигатель» Денис Попов.

Работа пермских ученых позволит решить проблемы надежности и стоимости жизненного цикла газотурбинных двигателей. Более точное прогнозирование теплового состояния лопаток позволит еще на этапе проектирования избежать проявления в эксплуатации многих дефектов турбины и тем самым сократить затраты на ремонт двигателя.

 

Информация и фото предоставлены пресс-службой Пермского Политеха