Авиационные двигатели. Влияние охлаждения деталей турбин на термодинамическое совершенство и ресурс прочности лопаток

1.

АНАЛИЗ
СТАТИЧЕСКОЙ
ВЛИЯНИЕ
ОХЛАЖДЕНИЯ
ДЕТАЛЕЙ ТУРБИН
НА ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ
СОВЕРШЕНСТВО
И РЕСУРС
ППРОЧНОСТИ
ЛОПАТОК
Поколения авиационных двигателей

2.

АНАЛИЗ
СТАТИЧЕСКОЙ
ВЛИЯНИЕ
ОХЛАЖДЕНИЯ
ДЕТАЛЕЙ ТУРБИН
НА ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ
СОВЕРШЕНСТВО
И РЕСУРС
ППРОЧНОСТИ
ЛОПАТОК
Термодинамические параметры авиационных двигателей

3.

АНАЛИЗ
СТАТИЧЕСКОЙ
ВЛИЯНИЕ
ОХЛАЖДЕНИЯ
ДЕТАЛЕЙ ТУРБИН
НА ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ
СОВЕРШЕНСТВО
И РЕСУРС
ППРОЧНОСТИ
ЛОПАТОК
Изменение удельного расхода топлива

4.

АНАЛИЗ
СТАТИЧЕСКОЙ
ВЛИЯНИЕ
ОХЛАЖДЕНИЯ
ДЕТАЛЕЙ ТУРБИН
НА ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ
СОВЕРШЕНСТВО
И РЕСУРС
ППРОЧНОСТИ
ЛОПАТОК
Эволюция конструктивной схемы авиационных двигателей

5.

АНАЛИЗ
СТАТИЧЕСКОЙ
ВЛИЯНИЕ
ОХЛАЖДЕНИЯ
ДЕТАЛЕЙ ТУРБИН
НА ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ
СОВЕРШЕНСТВО
И РЕСУРС
ППРОЧНОСТИ
ЛОПАТОК

6.

АНАЛИЗ
СТАТИЧЕСКОЙ
ВЛИЯНИЕ
ОХЛАЖДЕНИЯ
ДЕТАЛЕЙ ТУРБИН
НА ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ
СОВЕРШЕНСТВО
И РЕСУРС
ППРОЧНОСТИ
ЛОПАТОК
Изменение показателей надежности двигателей

7.

АНАЛИЗ
СТАТИЧЕСКОЙ
ВЛИЯНИЕ
ОХЛАЖДЕНИЯ
ДЕТАЛЕЙ ТУРБИН
НА ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ
СОВЕРШЕНСТВО
И РЕСУРС
ППРОЧНОСТИ
ЛОПАТОК
Требования к системам охлаждения
1. Обеспечение надежной работы элементов двигателя, работающих в условиях
повышенных нагрузок и температур.
2. Минимальные затраты энергии на охлаждение. Чтобы снизить энергию,
расходуемую на охлаждение, необходимо:
- использовать как можно меньше охлаждающего воздуха;
- использовать воздух с возможно меньшим давлением;
- сократить утечки воздуха из каналов охлаждения на пути от мест
отбора до охлаждаемых деталей;
- снижать гидравлическое сопротивление каналов, по которым движется
охлаждающий воздух.
3. Обеспечение как можно более равномерного температурного поля
охлаждаемых деталей.
Температурная неравномерность
Температурные напряжения
Рост суммарных напряжений
Снижение прочности, надежности
4. Минимальное воздействие отборов и подводов воздуха на характеристики
узлов проточной части.

8.

АНАЛИЗ
СТАТИЧЕСКОЙ
ВЛИЯНИЕ
ОХЛАЖДЕНИЯ
ДЕТАЛЕЙ ТУРБИН
НА ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ
СОВЕРШЕНСТВО
И РЕСУРС
ППРОЧНОСТИ
ЛОПАТОК
Термодинамический анализ

9.

АНАЛИЗ
СТАТИЧЕСКОЙ
СХЕМЫ
СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ
ЛОПАТОК ТУРБИН
И ИХ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
ППРОЧНОСТИ
ЛОПАТОК
Схема охлаждения турбины ГТД РД-20 (а)
и ее дефлекторной сварной рабочей лопатки (б)

10.

АНАЛИЗ
СТАТИЧЕСКОЙ
СХЕМЫ
СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ
ЛОПАТОК ТУРБИН
И ИХ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
ППРОЧНОСТИ
ЛОПАТОК
Схема охлаждения рабочих лопаток с ребрами – турбулизаторами
и продольной продувкой воздуха (ГТД фирмы «Аллисон»)

11.

АНАЛИЗ
СТАТИЧЕСКОЙ
СХЕМЫ
СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ
ЛОПАТОК ТУРБИН
И ИХ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
ППРОЧНОСТИ
ЛОПАТОК
Схема охлаждения рабочих лопаток с петлевым движением воздуха
вторая ступень TF-39 (General Eleсtric)

12.

АНАЛИЗ
СТАТИЧЕСКОЙ
СХЕМЫ
СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ
ЛОПАТОК ТУРБИН
И ИХ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
ППРОЧНОСТИ
ЛОПАТОК
Схема охлаждения рабочих лопаток с двухрядным расположением каналов
«Olympys», «Spey»

13.

АНАЛИЗ
СТАТИЧЕСКОЙ
СХЕМЫ
СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ
ЛОПАТОК ТУРБИН
И ИХ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
ППРОЧНОСТИ
ЛОПАТОК
Поперечное сечение рабочей лопатки двигателя Д-36

14.

АНАЛИЗ
СТАТИЧЕСКОЙ
СХЕМЫ
СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ
ЛОПАТОК ТУРБИН
И ИХ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
ППРОЧНОСТИ
ЛОПАТОК
Схема охлаждения рабочих лопаток продольно-поперечной продувкой воздуха:
а – ГТД фирмы «Дженерал Электрик»; б – ГТД фирмы «Роллс-Ройс»

15.

АНАЛИЗ
СТАТИЧЕСКОЙ
СХЕМЫ
СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ
ЛОПАТОК ТУРБИН
И ИХ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
ППРОЧНОСТИ
ЛОПАТОК
Рабочая лопатка с внутренними перекрещивающимися каналами:
1 – передняя полость; 2 – задняя полость; 3 – жиклер для подпитки задней
полости; 4 – ребра, формирующие матрицы с перекрещивающими каналами;
5 – поворотное ребро

16.

АНАЛИЗ
СТАТИЧЕСКОЙ
СХЕМЫ
СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ
ЛОПАТОК ТУРБИН
И ИХ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
ППРОЧНОСТИ
ЛОПАТОК
Схема дефлекторных лопаток: а – сопловая; б – рабочая;
1 – щели подвода воздуха в дефлекторе; 2 и 3 – оребрение входной кромки и
срединного участка профиля; 4 – отверстия в дефлекторе (перфорация);
5 – продольные прерывистые ребра (турбулизаторы); 6 – перемычки

17.

АНАЛИЗ
СТАТИЧЕСКОЙ
СХЕМЫ
СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ
ЛОПАТОК ТУРБИН
И ИХ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
ППРОЧНОСТИ
ЛОПАТОК
Развитие схем охлаждения рабочих лопаток фирмы Rolls-Royce:
конвективная система с радиальным течением (1); система с одноходовым
течением и пленочным охлаждением входной и выходной кромок (2) и система с
многоходовым течением и интенсивным пленочным охлаждением

18.

АНАЛИЗ
СТАТИЧЕСКОЙ
СХЕМЫ
СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ
ЛОПАТОК ТУРБИН
И ИХ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
ППРОЧНОСТИ
ЛОПАТОК
Схема лопатки с пористым охлаждением:
1 - несущий стержень;
2 - пористая (проницаемая) оболочка
Распределение температуры
в сечении лопатки с
транспирационным охлаждением

19.

АНАЛИЗ
СТАТИЧЕСКОЙ
СХЕМЫ
СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ
ЛОПАТОК ТУРБИН
И ИХ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
ППРОЧНОСТИ
ЛОПАТОК
Конструктивная реализация материала «Ламиллой»

20.

АНАЛИЗ
СТАТИЧЕСКОЙ
СХЕМЫ
СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ
ЛОПАТОК ТУРБИН
И ИХ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
ППРОЧНОСТИ
ЛОПАТОК
Перспективная схема охлаждения «лопатка с охлаждаемыми стенками» фирмы
Rolls-Royce

21.

АНАЛИЗ
СТАТИЧЕСКОЙ
СХЕМЫ
СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ
ЛОПАТОК ТУРБИН
И ИХ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
ППРОЧНОСТИ
ЛОПАТОК
Поперечное сечение лопатки, разработанной в ЦИАМ с использованием так
называемой технологии «гибких стержней»
Снизу – распределение относительной эффективности охлаждения по сечению

22.

АНАЛИЗ
СТАТИЧЕСКОЙ
СХЕМЫ
СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ
ЛОПАТОК ТУРБИН
И ИХ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
ППРОЧНОСТИ
ЛОПАТОК
Типичный вид турбины высокого давления с сопловой и рабочей лопатками

23.

АНАЛИЗ
СТАТИЧЕСКОЙ
СХЕМЫ
СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ
ЛОПАТОК ТУРБИН
И ИХ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
ППРОЧНОСТИ
ЛОПАТОК
Пример конструкции рабочей лопатки

24.

АНАЛИЗ
СТАТИЧЕСКОЙ
СХЕМЫ
СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ
ЛОПАТОК ТУРБИН
И ИХ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
ППРОЧНОСТИ
ЛОПАТОК
Охлаждение периферийной части лопатки

25.

АНАЛИЗ
СТАТИЧЕСКОЙ
СХЕМЫ
СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ
ЛОПАТОК ТУРБИН
И ИХ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
ППРОЧНОСТИ
ЛОПАТОК
Передняя кромка рабочей лопатки с пленочным охлаждением (вставка –
сменная для исследования различных отверстий)

26.

АНАЛИЗ
СТАТИЧЕСКОЙ
СХЕМЫ
СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ
ЛОПАТОК ТУРБИН
И ИХ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
ППРОЧНОСТИ
ЛОПАТОК
Облегченная рабочая лопатка с гидравлическим профилем вогнутой части

27.

АНАЛИЗ
СТАТИЧЕСКОЙ
СХЕМЫ
СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ
ЛОПАТОК ТУРБИН
И ИХ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
ППРОЧНОСТИ
ЛОПАТОК
Рабочая лопатки первой ступени ТВД PW2000

28.

АНАЛИЗ
СТАТИЧЕСКОЙ
СХЕМЫ
СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ
ЛОПАТОК ТУРБИН
И ИХ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
ППРОЧНОСТИ
ЛОПАТОК
Сопловая лопатка 1-й ступени RB211-535E4