АСПЕКТЫ РАЗРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОБРАЗЦА ТЕРМОЭМИССИОННОЙ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ. СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ ЛОПАТОК ТУРБИН ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ, ВЫПОЛНЕННЫХ ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ И ПРОВОДЯЩЕЙ КЕРАМИКИ (БОРИДОВ И КАРБИДОВ)

© В.А.Керножицкий, А.В.Колычев
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "Проблемы ракетной и космической техники"
2018 г.

Статья посвящена Термоэмиссионному Способу и Устройству Охлаждения Лопаток Турбин и Горячих Элементов Газотурбинных Двигателей, вошедшего в СПИСОК 100 ЛУЧШИХ ИЗОБРЕТЕНИЙ РОССИИ 2015 ГОДА.

В настоящей работе произведены расчетные оценки эффекта от применения разрабатываемого в БГТУ «ВОЕНМЕХ» термоэмиссионного способа охлаждения (ТСО) лопаток турбин (ЛТ) газотурбинных преобразователей (ГП) космических летательных аппаратов (КЛА) радиоэлектронного дистанционного зондирования Земли.

Актуальность разработки ТСО подтверждается тем, что сейчас в РФ ведется разработка платформы КЛА с энергетической установкой, в основе которого положен принцип газотурбинного преобразования. Однако, из-за низкой надежности его основных элементов – лопаток турбин в рабочих условиях, приходится снижать температуру в установке, что снижает КПД и увеличивает массу и габариты КА в целом. Это означает, что с учетом возможностей современных средств выведения, сокращаются возможности по оснащению КА радиоэлектронной аппаратуры и снижаются характеристики КЛА с радиоаппаратурой в целом. Для улучшения этих характеристик необходимо повышение надёжности лопаток турбин и повышением на данной основе температуры ГП, его КПД с одновременным снижением массы и габаритов..

Но в данном случае предполагается, что лопатки турбины будут выполнены из керамических материалов, функционирующих в среде инертных газов, нагретых от бортового источника тепловой энергии. Одной из проблем при этом является возникновение температурных градиентов, напряжений и деформаций, что может привести к возникновению трещин.

Однако, если выполнить керамические лопатки из металлоподобных соединений (бориды, карбиды, сплавы боридов и карбидов) с применением ТСО, то появляется возможность существенного (более, чем в два раза) снижения как температуры ЛТ, так и температурных перепадов, и напряжений в конструкции ЛТ.

В работе также показано, что снижение температурных напряжений в конструкции горячих элементов при эквивалентной тепловой нагрузке достигается за счет фундаментальных свойств термоэлектронной эмиссии, а именно благодаря зависимости интенсивности термоэлектронной эмиссии и электронного охлаждения от температуры.

В работе получены следующие результаты:

1. Рассмотрены варианты материалов керамических турбин и проведено обоснование применения ЛТ на основе боридов и карбидов, которое заключается в возможности решения основных проблем керамических материалов при применении ТСО.

2. Приведены результаты оценок снижения температуры и температурных напряжений при применении ТСО в составе керамических ЛТ и ЛТ из никелевых сплавов.

3. Показано, что при применении ТСО появляется возможность снижения температуры керамических ЛТ вплоть до 400 градусов и выше, при этом температурные напряжения, возникающие в ЛТ также могут быть уменьшены более, чем в 2 раза.

Разрабатываемую технологию можно применять в составе турбонасосных агрегатов многоразовых двигателей возвращаемых ступеней ракет-носителей, в составе газотурбинных двигателей, в том числе в составе многоразовых возвращаемых первых ступеней самолетного типа, а также в составе объектов наземной энергетики и всех видов транспорта.