СОПЛОВАЯ ЛОПАТКА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТУРБИН ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ РОССИЙСКОГО СЕГМЕНТА МЕЖДУНАРОДНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ

© Б.Е.Байгалиев, А.Г.Тумаков, Е.А.Тумаков, А.И.Ибрагимов
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "Проблемы ракетной и космической техники"
2015 г.

Представлена конструкция композитной охлаждаемой лопатки. Лопатку предлагается изготавливать из пористого высокотемпературного керамического материала с низкой теплопроводностью (например, ZrO2), армированного проволочной периодической структурой кубической формы из материала с высокой теплопроводностью и прочностью (например, сталью). Представлены результаты расчётов, показывающие возможность работы данной лопатки при полной температуре наружной поверхности не менее 1800К при полной температуре набегающего потока 2300К.

В современных охлаждаемых лопатках высокотемпературных газовых турбин широко используется заградительное воздушное охлаждение.

Широко известны конструкции охлаждаемых лопаток, в которых охлаждение лопатки осуществляется воздухом, продуваемым через внутренние полости, обеспечивая работоспособность тела лопатки при высоких температурах(1000...1200°С). Изменения температуры тела лопатки в различных ее точках имеют циклический характер, связанный с циклической работой газотурбинного двигателя. Существующая большая неравномерность температурного поля как по толщине, где температура составляет 900... 1040°С на наружной поверхности и 550... 750°С на поверхности внутренней полости, так и по профилю пера лопатки, где температура достигает 1000... 1040°С на входной кромке и 850... 950°С на середине профиля, приводит к появлению больших циклических знакопеременных напряжений. Возникновение термических напряжений обусловлено неравномерным расширением материала детали при её неравномерном нагреве, когда более нагретые участки, расширяясь, оказываются стесненными более холодными участками. Уровень напряжений в некоторых частях лопатки, например на кромках, превышает предел упругости. В результате материал получает значительные знакопеременные деформации, приводящие к быстрому, за 500–5000 циклов, разрушению лопатки.

Предложенная конструкция охлаждаемой лопатки позволяет реализовать рабочую полную температуру наружной поверхности лопатки не менее 1800К при полной температуре набегающего потока 2300К и максимальной температуре армирующих проволочных элементов из материала (стали) с высокой теплопроводностью и прочностью не более 650К. Кроме того, вследствие повышения стойкости к разрушению при циклических температурных нагружениях за счёт обеспечения равномерного поля температур в теле лопатки (перепад температур имеет место в толщине порядка 1,5 мм) повышается ресурс лопатки.