Влияние открытого осевого зазора на течение газа и потери энергии в ступени турбины с бандажом на рабочих лопатках

Для перспективных авиационных и энергетических высокотемпературных газотурбинных двигателей требуются высоконагруженные газовые турбины с оптимизацией всех геометрических параметров с целью повышения коэффициента полезного действия турбин и уменьшения их размеров и массы. Одним из таких параметров является открытый осевой зазор в проточной части турбины. Традиционно его выбор связан с выравниванием параметров потока в зазоре между решетками, обусловленным существенной разницей давления в следе за выходными кромками и в основном потоке, и с вибропрочностью рабочих лопаток. В 1960–1970-х годах для улучшения эффективности перспективных двигателей В.В. Уваров рассматривал возможность сжигания топлива в осевых зазорах проточной части турбины двигателей с применением сложного термодинамического цикла. В настоящее время к этому вопросу вновь возродился интерес. Этот процесс требует установления связи между осевыми зазорами и зоной микрофакельного горения топлива. Исследовано влияние увеличенного открытого осевого зазора на эффективность обандаженной ступени турбины газотурбинного двигателя. Определены интегральные характеристики турбины при изменении частоты вращения ротора турбины при различных значениях открытого осевого зазора. Анализ результатов эксперимента показал существенную зависимость эффективности ступени турбины от открытого осевого зазора при попадании границы активной струи под бандаж рабочего колеса и слабую зависимость при попадании границы струи непосредственно в открытый осевой зазор.

Литература

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

[2] Иноземцев А.А., Сандрацкий В.Л. Газотурбинные двигатели. Москва, Авиадвигатель, 2006. 1204 с.

[3] Мураева М.А., Горюнов И.М., Харитонов В.Ф. Моделирование процесса сжигания топлива в межлопаточном канале турбины. Авиадвигатели XXI века. Сб. докл., Москва, 24–27 ноября 2015, Москва, ЦИАМ им. П.И. Баранова, 2015, с. 306–308.

[4] Rice M. Simulation of isothermal combustion in gas turbines. Thesis. Blacksburg, Virginia, Virginia Polytechnic Institute and State University, 2004. 108 p.

[5] Lattime S.B., Steinetz B.M. High-Pressure-Turbine Clearance Control Systems: Current Practices and Future Directions. Journal of Propulsion and Power, 2004, vol. 20, no. 2, pp. 302–311.

[6] Скибин В.А., Волков С.А. Выбросы вредных веществ от авиационных двигателей. Аэрокосмический курьер, 2003, № 2, с. 18–19.

[7] Варламов Г.Б., Камаев Ю.Н., Позняков П.О., Юрашев Д.Н. Модернизация горелочной системы газотурбинного двигателя ДН80 с использованием трубчатой технологии. Вестник НТУ ХПИ: Новые решения в технологиях, 2012, № 18, с. 117–126.

[8] Тумановский А.Г., Гутник М.Н., Артеменко А.А. Перспективы создания высокотемпературных малотоксичных камер сгорания стационарных ГТУ. Теплоэнергетика, 2000, № 10, с. 23–26.

[9] Сударев А.В., Антоновский В.И. Камера сгорания газотурбинных установок. Москва, Машиностроение, 1985. 272 c.

[10] Моляков В.Д., Тумашев Р.З. Особенности проектирования проточных частей турбин газотурбинных установок в зависимости от состава и параметров рабочей среды. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2003, № 2(51), с. 52–62.

[11] Кузменко М.Л., Нагога Г.П., Карелин Д.В. Способы разрешения противоречивых требований при проектировании высокотемпературных газовых турбин. Авиадвигатели XXI века. Сб. докл., Москва, ЦИАМ им. П.И. Баранова, 2010, с. 261–266.

[12] Bachovchin D.M., Lippert T.E., Newby R.A., Cizmas P.G.A. Gas turbine reheat using in situ combustion. Siemens Westinghouse Power Corporation, Final Report, May, 2004. 112 p.

[13] Haliba E.E., Lenahan D.T., Thomas T.T. Energy Efficient Engine. High Pressure Turbine Test Hard Ware Detailed Design Report, NASA CR-167955, 1982.

[14] Vazquez R., Codrecha D., Torre D. High Stage Loading Low Pressure Turbine. A New Proposal for an Efficiency Chart, GT2003-38374.

[15] Степанов Г.Ю., Эпштейн В.А., Гольцев В.В., Вахомчик В.П., Мухтаров М.Х. Атлас экспериментальных характеристик плоских турбинных решеток. Москва, ЦИАМ им. П.И. Баранова, 1964. 136 c.