Использование теории подобия при проектировании турбин газотурбинных двигателей

В перспективных разработках газотурбинных двигателей по сравнению с изделиями четвертого поколения существенно изменились подходы к проектированию. В первую очередь это увеличение максимальных значений температуры и давления газа, окружных скоростей потока, а также повышение мощности ступени турбины и совершенствование технологии ее изготовления. Вследствие этого в процессе проектирования проточных частей турбин при фиксированном расходе рабочего тела в двигателе (т. е. при фиксированных диаметрах, длинах сопловых и рабочих лопаток, формирующих очертание межлопаточных каналов) возникает необходимость увеличивать хорды лопаток с соответствующим уменьшением их числа в ряду. Повышение мощности ступени турбины, связанное с возрастанием температуры, давления (плотности) и окружной скорости, увеличивает изгибающие напряжения, приводя к необходимости удлинения хорд при фиксированной длине лопаток. Существенное снижение числа лопаток в ступени упрощает технологию их изготовления. Значительное повышение максимальных значений температуры газа (в перспективе более 2000 К) также приводит к увеличению хорд лопаток из-за необходимости размещения в них развитых охлаждающих полостей. В результате возникают противоречия с использованием теории подобия при проектировании ступеней турбин двигателей различного назначения, так как нарушается одно из основных требований — геометрическое подобие лопаточных каналов проточной части. Соответственно, применение общепринятого числа Рейнольдса по хорде лопаток вызывает сомнение. В связи с этим проведено детальное исследование всех параметров потока в ступенях турбин с выявлением влияния на них изменения хорд лопаток при одинаковой длине последних. Обосновано влияние изменения хорд лопаток на физические процессы в проточных частях турбин двигателей различного назначения.

Литература

[1] Моляков В.Д., Тумашев Р.З. Особенности проектирования проточных частей турбин газотурбинных установок. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2003, № 2(51), с. 52–62.

[2] Бабкин В.И., Цховребов М.М., Солонин В.И., Ланшин А.И. Развитие авиационных ГТД и создание уникальных технологий. Двигатель, 2013, № 2(86), с. 2–7.

[3] Бабкин В.И. Роль науки в решении практических задач авиационного двигателестроения. Двигатель, 2013, № 3(87), с. 2–6.

[4] Ланшин А.И., Палкин В.А., Федякин В.Н. Анализ тенденций развития авиационных двигателей для самолетов гражданской авиации. Двигатель, 2010, № 6, с. 2–5.

[5] Иванов М.Я., ред. Высокотемпературные газовые турбины. Москва, ТОРУС ПРЕСС, 2010. 304 с.

[6] Иванов М.Я., Почуев В.П. Проблемы создания высокотемпературных турбин современных авиационных двигателей. Конверсия в машиностроении, 2000, № 5, с. 34–46.

[7] Кузьменко М.Л., Нагога Г.П., Карелин Д.В. Способы разрешения противоречивых требований при проектировании высокотемпературных газовых турбин. Авиадвигатели XXI века. Матер. конф., Москва, 30 ноября–03 декабря, Москва, ЦИАМ, 2010, с. 261–266.

[8] Нагога Г.П., Карелин Д.В., Диденко Р.А. Компромиссное решение противоречивых требований как принцип многофакторного проектирования высокотемпературных охлаждаемых турбин. Тр. науч.-техн. конгресса по двигателестроению, Москва, АССАД, 2012, с. 55–60.

[9] Иноземцев А.А., Сандрацкий В.Л. Газотурбинные двигатели. Пермь, ОАО Авиадвигатель, 2006. 1204 с.

[10] Иноземцев А.А., Нихамкин М.А., Сандрацкий В.Л. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. В 5 т. Т. 2. Компрессоры. Камеры сгорания. Форсажные камеры. Турбины. Выходные устройства. Москва, Машиностроение, 2008. 368 с.

[11] Meece C.E. Gas Turbine Technologies of the Future. International Symposium on Air Breathing Engines, 1995, paper 95-7006.

[12] Sharma O.P., Kopper F.C., Stetson G.M., Magge S.S., Price F.R., Ni R. A Perspective on the Use of Physical and Numerical Experiments in the Advancement of Design Technology for Axial Flow Turbines. International Symposium on Air Breathing Engines, 2003, paper 2003-1035.

[13] Harvey N.W., Brennan G., Newman D.A. Improving Turbine Efficiency Using non-axisymmetric End Walls: Validation in the Multi-Row environment and with Low Aspect Ratio Blading. Proceedings of ASME TURBO EXPO, 2002, GT-2002-30337, doi: 10.1115/GT2002-30337

[14] Moustapha S.H., Kacker S.C., Tremblay B. An Improved Incidence Losses Prediction Method for Turbine Airfoils. Presented at the Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exposition, June 4–8, 1989, Toronto, Ontario, Canada, doi: http://dx.doi.org/10.1115/89-GT-284

[15] Vazquez R., Cadrecha D., Torre D. High Stage Loading Low Pressure Turbine. A New Proposal for an Efficiency Chart. ASME TURBO EXPO 2003, GT2003-38374, doi: 10.1115/GT2003-38374

[16] Белоусов А.Н., Мусаткин Н.Ф., Радько В.М., Кузьмичев В.С. Проектный термогазодинамический расчет основных параметров авиационных лопаточных машин. Самара, Самар. гос. аэрокосм. ун-т, 2006. 316 с.