РАЗРАБОТКА ПЕРСПЕКТИВНЫХ ЛОПАТОК ГИБРИДНОГО ДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ ВОЗДУШНО-КОСМИЧЕСКОГО САМОЛЁТА
© Б.Е.Байгалиев, А.Г.Тумаков, П.Э.Калмыков
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "Проблемы ракетной и космической техники"
2013 г.
В своих трудах К.Э. Циолковский уделял особое внимание развитию аэрокосмических систем. В настоящее время одной из главных проблем создания воздушно-космического самолёта является разработка новых лопаток двигателя, способных переносить большие тепловые нагрузки в земных и космических условиях. В охлаждаемых лопатках высокотемпературных газовых турбин используется заградительное воздушное охлаждение, которое осуществляется вдувом относительно холодного воздуха на наружную поверхность профиля лопатки через отверстия или щели в стенке лопатки («пленочное охлаждение»), а также изготовлением её из проницаемого (пористого) материала («пористое охлаждение»). Варианты выполнения плёночного охлаждения лопаток возможны, когда оболочка целиком или отдельные её части изготавливаются в виде навитой проволоки или сплетённых сеток, — так называемый материал «металлорезина». Поиск способов охлаждения лопаток газотурбинных установок привёл к идее изготовления их целиком из пористого материала. Охлаждаемая лопатка, содержащая полости для прохода охлаждающей среды, может быть полностью отформована из пористого материала, проволочные переплетения которого образованы упругопористым нетканым материалом «металлорезина», изготовленным по любой известной технологии. Оценка эффективности охлаждения лопатки, полностью выполненной из пористого материала, в настоящей работе осуществлена численным моделированием такого способа её охлаждения. Численное моделирование основано на решении системы уравнений Навье-Стокса для модели турбулентной вязкости Eddy Viscosity Transport Equation, в которой модель пористости является одновременно обобщением уравнений Навье-Стокса и закона Дарси, используемого для потоков в пористой среде.
В качестве прототипа для создания расчетной модели взят блок сопловых лопаток первой ступени турбины газотурбинного двигателя. Расчёт для определения полей полных давлений и температуры в среднем сечении проточной части соплового аппарата, внешней поверхности профиля охлаждаемой лопатки приведен в среде Ansys CFX. Материал «металлорезина», изготовленный из проволоки коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т в термически стабилизированном состоянии, обладает жесткостью 3,0–3,6 кН/мм в диапазоне температур от 20 до 300°С. Жёсткость этого термически стабилизированного материала практически не меняется при увеличении числа циклов нагружения (при (3–5)•106 циклов в диапазоне температур от 20 до 350°С она уменьшается от начального значения лишь на 10–20 %).
Решение проблем, связанных с образованием нагаров, окислением и засорением наружной поверхности профиля сопловой лопатки, что характерно для любого вида применяемого охлаждения, не рассматривались.
В результате расчётов получено, что максимальный температурный градиент имеет место при толщине поверхностного слоя порядка 0,5 мм, а далее температура тела лопатки практически равна температуре охлаждающего воздуха на входе. Однако с увеличением пористости наблюдается повышение полной температуры поверхности лопатки. Данное обстоятельство вызвано изменением направления движения охлаждающего воздуха на вогнутой части профиля лопатки вследствие уменьшения гидравлического сопротивления фильтрации и изменения направления действующего перепада давления между поверхностью профиля лопатки и каналами подвода охлаждающего воздуха из условия поддержания постоянного заданного расхода.
Выполненное теоретическое исследование продемонстрировало возможность изготовления сопловой лопатки полностью из материала «металлорезина», обеспечивающего неплохую эффективность охлаждения.