Методы и способы повышения температуры газа перед турбиной газотурбинного двигателя

Изложены методы и способы повышения температуры газа перед турбиной газотурбинного двигателя, которые в совокупности позволяют достичь температуры газа 2300 К. Лопатки газовых турбин, выполненные на основе лучших никелевых сплавов, могут работать продолжительное время без охлаждения при температуре не более 1300 К. На сегодняшний день наиболее эффективным способом воздушного охлаждения лопаток является конвективно-пленочное охлаждение, благодаря которому (в сочетании с теплозащитными покрытиями) на газотурбинных двигателях пятого поколения достигнута температура газа 2000 К. Существенное повышение эффективности внутреннего охлаждения лопаток турбины (конвективного, конвективно-пленочного, пористого) достигается при использовании внешнего охлаждения — понижения температуры охлаждающего воздуха за счет хладоресурса внешней среды: атмосферного воздуха (воздуха второго контура), воды и топлива. Применение внешнего охлаждения совместно с конвективно-пленочным позволяет повысить температуру газа перед турбиной на 0,6…1,5 К на каждый градус снижения температуры охлаждающего воздуха. Предложен циркуляционный теплообменник, который понижает температуру охлаждающего воздуха практически до температуры внешней среды, что в сочетании с известными методами и способами повышения температуры газа (жаропрочные материалы, теплозащитные покрытия, конвективно-пленочное охлаждение) позволяет увеличить температуру газа перед турбиной на 300…400 К и довести ее как минимум до 2300 К. Это даст возможность уже сегодня приступить к созданию стехиометрических и гиперфорсированных газотурбинных двигателей, повысить коэффициент полезного действия двухконтурных турбореактивных двигателей до 45 %. Разновидностью внешнего охлаждения лопаток турбин является воздушно-жидкостное охлаждение. Исследована возможность (запатентованы технические решения) использования воздушно-жидкостного охлаждения в газотурбинных двигателях больших скоростей полета, включая турбоэжекторные двигатели.

Литература

[1] Скибин В.А. Работы ведущих авиадвигателестроительных компаний в обеспечение создания перспективных авиационных двигателей (аналитический обзор). Москва, ЦИАМ, 2010. 673 с.

[2] Письменный В.Л. Авиационная стехиометрическая силовая установка и способ ее регулирования. Патент РФ 2612482. Заявл. 03.03.2016, опубл. 09.03.2017.

[3] Письменный В.Л. Гиперзвуковой космический старт. Сб. тезисов XLV Академических чтений по космонавтике. Т. 3. Москва, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2021, с. 355–357.

[4] Письменный В.Л. Двухконтурный турбореактивный двигатель. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2019, № 6, с. 50–59, doi: http://dx.doi.org/10.18698/0536-1044-2019-6-50-59

[5] Демонис И.М. Во все лопатки. Наука и жизнь, 2007, № 6, с. 42–44.

[6] Каблов Е.Н., Толорайя В.Н. ВИАМ — основоположник отечественной технологии литья монокристаллических турбинных лопаток ГТД и ГТУ. Авиационные материалы и технологии, 2012, № S, с. 105–117.

[7] Каблов Е.Н., Петрушин Н.В., Светов И.А. и др. Никелевые литейные жаропрочные сплавы нового поколения. Авиационные материалы и технологии, 2012, № S, с. 36–51.

[8] Саитов Э.Н., Николаева Я.О., Бикбулатов А.М. Эффективность различных систем воздушного охлаждения лопаток газотурбинной установки. Вестник науки и образования, 2019, № 3–2, с. 5–9.

[9] Нестеренко В.Г., Аббаварм Р.Р. Воздухо-воздушные теплообменники системы охлаждения ротора турбины высокого давления в современных авиационных турбореактивных двухконтурных двигателях. Инженерный журнал: наука и инновации, 2018, № 1, с. 1–15, doi: http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2018-11-1827

[10] Письменный В.Л. Теплообменник. Патент РФ 2607916. Заявл. 21.12.2015, опубл. 11.01.2017.

[11] Будиновский С.А., Смирнов А.А., Матвеев В.П. и др. Разработка теплозащитных покрытий для рабочих и сопловых лопаток турбины из жаропрочных и интерметаллидных сплавов. Труды ВИАМ, 2015, № 4, с. 33–48, doi: http://dx.doi.org/10.18577/2307-6046-2015-0-4-5-5

[12] Письменный В.Л. Способ охлаждения двухконтурного турбореактивного двигателя. Патент РФ 2617026. Заявл. 09.12.2015, опубл. 19.04.2017.

[13] Письменный В.Л. Воздухо-воздушный радиатор и способ повышения его эффективности. Патент РФ 2632561. Заявл. 15.02.2016, опубл. 05.10.2017.

[14] Письменный В.Л. Способ охлаждения турбинных лопаток. Патент РФ 2409745. Заявл. 27.07.2009, опубл. 20.01.2011.

[15] Письменный В.Л. Турбоэжекторный двигатель и способ его регулирования. Патент РФ 2645373. Заявл. 147.05.2016, опубл.21.02.2018.