Для качественной и бесперебойной работы электростанций, авиации, нефтегазовой промышленности научное сообщество стремится модернизировать источники энергии, в том числе газотурбинные установки. Новое поколение турбин отличается улучшенными характеристиками двигателя, например, высокой температурой газа на выходе из камеры сгорания, что делает установки более мощными. Однако это негативно отражается на деталях турбины, в том числе на рабочих лопатках, которые участвуют в преобразовании кинетической энергии газового потока в механическую работу на валу двигателя. В среде горячего газа рабочие лопатки подвергаются огромным нагрузкам, из-за чего снижается их прочность и долговечность. Ученые Пермского Политеха повысили эффективность охлаждения рабочей лопатки турбины за счет модификации системы подвода воздуха.
Статья с результатами исследования опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника» №75, 2023.
Газотурбинный двигатель — это тепловая машина, предназначенная для преобразования энергии сгорания топлива в кинетическую энергию реактивной струи или в механическую работу на валу двигателя. Он состоит из компрессора, камеры сгорания, турбины и вспомогательных систем. Газотурбинные установки широко применяются на электростанциях в качестве источника энергии.
Рабочие лопатки являются важным элементом турбины. Они представляют собой металлические пластины с хвостовиком, прикрепляющиеся к диску. Чтобы лопатка могла работать под постоянным потоком горячего газа, необходимо ее непрерывное охлаждение. Иначе ухудшаются механические характеристики материала, он быстро выходит из строя, становится недостаточно прочным и надежным для использования. Кроме того, важно обеспечить гарантированный перепад между охлаждающим воздухом и газом, иначе возможно затекание последнего во внутренние полости рабочей лопатки, что может привести к ее разрушению.
Сейчас применяют разные способы поддержания приемлемой температуры, но создание современных, более мощных газотурбинных двигателей требует модификации существующих систем охлаждения элементов турбины. Это позволяет справляться с возрастающими нагрузками.
Система охлаждения — это комплекс устройств, поддерживающий необходимую температуру металла лопаток турбины. Ученые ПНИПУ подобрали оптимальную конструкцию системы подвода воздуха, которая обеспечивает лучшее охлаждение рабочей лопатки. Для модификации конструкции исследователи создали расчетную модель турбины высокого давления. С ее помощью изучали, как изменение геометрии системы подвода охлаждающего воздуха повлияет на его температуру и тепловое состояние лопатки.
Ученые Пермского Политеха отмечают, что большое значение в конструкции имеет угол поворота отверстий в дефлекторе, радиус скругления кромок данных отверстий, а также расстояние между отверстиями и аппаратом закрутки. Дефлектор предназначен для дополнительной защиты диска турбины от воздействия горячих газов. Через отверстия дефлектора проходит охлажденный воздух на рабочие лопатки.
— Для снижения температуры охлаждающего воздуха в системе охлаждения используется «аппарат закрутки». Однако после него поток воздуха проходит через отверстия в дефлекторе, где происходят гидравлические потери и снижение предварительной закрутки. Поэтому важно сконструировать отверстия таким образом, чтобы воздух проходил через них безотрывно. Мы поворачивали отверстия на различные углы в сторону вращения ротора. Результаты показали, что поворот отверстий в дефлекторе позволяет снизить гидравлические потери охлаждающего воздуха и повысить расход воздуха в лопатку. Это позволило снизить температуру входной кромки, — объясняет аспирант кафедры «Авиационные двигатели» ПНИПУ Сергей Швалев.
Политехники обратили внимание, что дополнительное смещение отверстий дефлектора к аппарату закрутки еще улучшило охлаждение рабочей лопатки. А уменьшение камеры смешения дополнительно снижает давление в этой полости, что также снижает утечки воздуха в осевой зазор.
— Результаты расчетов подтвердили, что поворот отверстий в сторону вращения ротора обеспечивает плавное перетекание воздуха через них, повышает давление на входе в лопатку, увеличивает гарантированный перепад между охлаждающим воздухом и газовым потоком и снижает температуру материала лопатки, — поделился доцент кафедры «Авиационные двигатели» ПНИПУ Станислав Сендюрев.
Комбинированный вариант, предложенный учеными ПНИПУ, улучшает параметры охлаждения, снижает температуру входной кромки лопатки турбины. Модификация системы подвода воздуха позволяет эффективно охлаждать рабочие лопатки газотурбинной установки, сохраняя так прочность и долговечность их работы. Исследование будет полезно при улучшении уже спроектированных систем подвода, когда возможности по изменению конструкции ограничены.
