Исследование эффективности различных систем охлаждения перспективных газотурбинных двигателей
Опубликовано: 15.08.2022
Авторы: Малиновский И.М., Нестеренко В.Г., Стародумов А.В., Андреев А.М.
Опубликовано в выпуске: #8(128)/2022
DOI: 10.18698/2308-6033-2022-8-2203
Раздел: Авиационная и ракетно-космическая техника | Рубрика: Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов
Представлены результаты исследований конструкций систем охлаждения турбин зарубежных и российских авиационных двухконтурных турбореактивных двигателей с форсажной камерой сгорания. Для расчетного исследования и сравнительного анализа выбраны российский и зарубежный образцы перспективных турбореактивных двухконтурных двигателей с форсажной камерой сгорания, имеющей оптимальные технические характеристики, проведены расчеты газодинамических параметров систем их охлаждения на четырех критических режимах работы двигателя. Представлены результаты гидравлических расчетов различных схем подвода охлаждающего воздуха к сопловым и рабочим лопаткам турбины высокого давления. Приведен выполненный по результатам расчета сравнительный анализ эффективности конструкторских решений зарубежных и российских систем охлаждения посредством как мощностных показателей, так и экономичности газотурбинного двигателя. Дана оценка эффективности по таким параметрам, как отбор охлаждающего воздуха на режиме максимальных оборотов двигателя и на крейсерском режиме, утечки охлаждающего воздуха через осевые зазоры в проточную часть, изменение отбора охлаждающего воздуха (в процентах) от расхода через компрессор высокого давления при переключении с максимального режима на крейсерский (адаптивность системы охлаждения), температура охлаждающего воздуха в точке подвода к полостям охлаждения лопатки соплового аппарата или рабочей лопатки.
Литература
[1] Никитин И.С., Магдин А.Г., Припадчев А.Д., Горбунов А.А. Повышение мощности турбореактивного двигателя с помощью охлаждения воздуха на входном устройстве. Вестник Московского авиационного института, 2021, № 3, с. 130–138.
[2] Поткин А.Н., Крупин В.П., Козлякова И.С., Фадеев В.А. Опыт создания ГТУ по устранению заклинивания ротора охлаждаемой турбины турбокомпрессора. Вестник СГАУ, 2012, № 3, с. 319–325.
[3] Didenko R.А., Karelin D.V., Ievlev D.G., Shmotin Y.N., Nagoga G.P. Pre-swirl cooling air delivery system performance study. Proceedings of ASME Turbo Expo, 2012, GT68342-2012, pp. 1–12.
[4] Поткин А.Н., Белова С.Е., Карпов Ф.В., Орешкина М.Н., Фадеев В.А. Опыт применения наукоемких расчетных технологий для создания высокотемпературной турбины ГТД. Вестник РГАТА имени П.А. Соловьева, 2009, № 1 (15), с. 87–93.
[5] Нестеренко В.Г., Нестеренко В.В., Асадоллахи Гохиех А. Исследование и анализ эффективности систем воздушного охлаждения лопаток турбин высокого давления ГТД. Авиационно-космическая техника и технология, 2014, № 7, с. 83–93.
[6] Диденко Р.А., Пиралишвили Ш.А., Шахов В.Г. Анализ характеристик потока между двумя вращающимися дисками в системе подвода воздуха к рабочей лопатке турбины на основе адаптированных критериев подобия. Тепловые процессы в технике, 2019, т. 11, № 10, с. 434–446.
[7] Нестеренко В.Г. Аббаварам Р.Р. Improvement of the design and methods of designing tubular air-to-air heat exchangers cooling systems of gas turbines. ICAS-2016. URL: https://www.icas.org/ICAS_ARCHIVE/ICAS2016/data/papers/2016_0433_paper.pdf
[8] Minchenko A., Nesterenko V., Malinovsky I., Revanth Reddy A. Improving the Cooling Air Supply System for the HPT Blades of High-Temperature GTE. Proceedings of the International Conference on Aerospace System Science and Engineering 2019, pp. 55–65. https://doi.org/10.1007/978-981-15-1773-0_5
[9] Диденко Р.А., Пиралишвили Ш.А., Виноградов К.А. Проработка технологии выбора оптимального радиуса расположения аппарата закрутки в системе подвода воздуха к рабочей лопатке турбины. Тепловые процессы в технике, 2019, т. 11, № 11, с. 514–526.
[10] Пиралишвили Ш.А., Пиотух С.М., Поткин А.Н., Крупин В.П. Решение комплексной задачи проектирования системы охлаждения рабочего колеса газовой турбины. Вестник РГАТУ, 2013, № 2 (25), с. 51–57.
[11] Батурин О.В., Николалдэ П., Ткаченко А.Ю., Волкова А.С., Подгорнова А.С. Идентификация математической модели газотурбинного двигателя с учетом неопределенности исходных данных. Вестник Московского авиационного института, 2021, № 3, с. 374–375.
[12] Диденко Р.А., Пиралишвили Ш.А., Шахов В.Г. Влияние отверстий в покрывном диске на характеристики системы подвода воздуха к рабочей лопатке турбины. Тепловые процессы в технике, 2020, т. 12, № 6, с. 271–281.
[13] Диденко Р.А., Пиралишвили Ш.А., Виноградов К.А. Теория и расчет течения в системе подвода воздуха к рабочей лопатке турбины. Тепловые процессы в технике, 2020, т. 12, № 7, с. 314–324.
[14] Кофман В.М. Методология и опыт экспериментально-расчетного определения показателей газодинамической эффективности узлов ГТД по параметрам неравномерных воздушных и газовых потоков. Монография. Уфа, УГАТУ, 2013, 400 с.
[15] Кофман В.М. Методология и опыт параметрической идентификации математических моделей газотурбинных двигателей и их узлов по результатам испытаний. Монография. Уфа: УГАТУ, 2014, 182 с.
[16] Кофман В.М. Методология экспериментально-расчетного определения показателей эффективности основных камер сгорания ГТД по результатам их автономных испытаний на камерном стенде. Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника, 2016, № 46, с. 7–40.
[17] Кофман В.М. Методика и программа на ЭВМ для идентификации математических моделей компрессоров и вентиляторов при их работе в системе. Тезисы докладов IV Международной НТК «Авиадвигатели XXI века». Москва, ЦИАМ, 2015, с. 66–68.
[18] Кофман В.М. Система методик и программ для экспериментально-расчетного определения показателей эффективности узлов ГТД по параметрам неравномерных воздушных и газовых потоков. Тезисы докладов IV Международной НТК «Авиадвигатели XXI века». Москва, ЦИАМ, 2015, с. 349–350.
[19] Tyacke J., Jefferson-Loveday R., Tucker P. On LES methods applied to seal geometries. ASME Turbo Expo. Copenhagen, Denmark, 2012. http://dx.doi.org/10.1007/s10494-013-9480-x
[20] Zhang H., Zheng Q., Yue G. Qingfeng Deng. Unsteady numerical analysis of a whole ring of finger seal with grooves on finger pads. ASME Turbo Expo. San Antonio, TX, USA, 2013. DOI: 10.1115/GT2013-94514
[21] Huang Shouqing, Shuang-fu Suo, Yongjian Li, Yuming Wang. Theoretical and experimental investigation on tip forces and temperature distributions of the brush seal coupled aerodynamic force. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2014, vol. 136, art. 052502–12 p. DOI: 10.1115/1.4026074
[22] Temis J., Selivanov A., Dzeva I. Fluid-structural analysis of a non-contacting finger seal. 29th Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences. St. Petersburg, Russia, 2014. URL: http://www.icas.org/ICAS_ARCHIVE/ICAS2014/data/papers/2014_0779_paper.pdf
[23] Pugachev A.O., et al. Structural dynamics optimization of rotor systems for a small-size turboprop engine. Journal of Propulsion and Power, 2015, vol. 31, no. 4, pp. 1083–1093. DOI: 10.2514/1.B35399
[24] Pugachev A.O., et al. Segmentation effects on brush seal leakage and rotordynamic coefficients. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2016, vol. 138, no. 3, art. 032501–9 p. DOI: 10.1115/1.4031386
[25] Schwarz H., Friedrichs J. Preliminary investigations for a pressure balanced back plate at low inclined brush seals. ASME Turbo Expo. Montreal, Canada, 2015. DOI: 10.1115/GT2015-42580
[26] Schwarz H., Friedrichs J., Flegler J. Axial inclination of the bristle pack, a new design parameter of brush seals for improved operational behavior in steam turbines. ASME Turbo Expo, Dusseldorf, Germany, 2014. DOI: 10.1115/GT2014-26330
[27] Ahmadi M., Khosravi F.A. CFD simulation of non-Newtonian two-phase fluid flow through a channel with a cavity. Thermal Sci., 2020, vol. 24 (2B), pp. 1045–1054.
[28] Ahmadi M., Mirjalily S.A.A., Oloomi S.A.A. RANS k−ω simulation of 2D turbulent natural convection in an enclosure with heating sources. IIUM Engin. J., 2019, vol. 20 (1), pp. 229–244.
[29] Du C., Li L., Wu X., Feng Z. Effect of jet nozzle geometry on flow and heat transfer performance of vortex cooling for gas turbine blade leading edge. Appl. Thermal Eng., 2015, vol. 48 (7). DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2015.09.087
[30] Horlock J., Watson D., Jones T. Limitations on gas turbine performance imposed by large turbine cooling flows. J. Eng. Gas Turb. Power 123 (3), Energy Procedia, 2015, vol. 75, pp. 3220–3229.
[31] Malinovskiy I., Nesterenko V., Starodumov A., Epikhin V., Yusipov B., Belov K. Development of GTE turbine air-cooling system to increase its operating parameters. Aerospace Systems, 2021, no. 4, pp. 239–246.