Определение потребного расхода воздуха на охлаждение турбин на этапе концептуального проектирования газотурбинного двигателя

Авиационная и ракетно-космическая техника

Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов


DOI: 10.34759/vst-2021-1-61-73

Авторы

Филинов Е. П.*, Кузьмичёв В. С.**, Ткаченко А. Ю.***, Остапюк Я. А.****

Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева, Московское шоссе, 34, Самара, 443086, Россия

*e-mail: filinov@ssau.ru
**e-mail: kuzm@ssau.ru
***e-mail: tau@ssau.ru
****e-mail: oya92@mail.ru

Аннотация

Адекватное моделирование системы охлаждения турбины имеет существенное значение при оптимизации параметров двигателя на этапе концептуального проектирования, поскольку на данном этапе закладываются параметры и характеристики, определяющие будущность проекта в целом. В данной статье приведены результаты анализа и обобщения опубликованных экспериментальных и теоретических данных по конвективному, пленочному и пористому охлаждению лопаток турбин авиационных газотурбинных двигателей (ГТД). Результатом работы являются полученные обобщенные зависимости относительного потребного расхода охлаждающего воздуха по каждому типу охлаждения лопаток турбин авиационных ГТД, а также универсальная зависимость, обобщающая данные по всем типам охлаждения рабочих лопаток и сопловых аппаратов, пригодная при решении задач оптимизации параметров двигателя при проектировании. Кроме того, в работе приведены данные о зависимости количества воздуха на охлаждение дисков турбин и утечек охлаждающего воздуха от максимальной температуры газа перед турбиной, а также данные о влиянии относительного суммарного количества воздуха, охлаждающего сопловой аппарат и рабочее колесо, на снижение изоэнтропического КПД турбины.

Ключевые слова:

газотурбинный двигатель, концептуальное проектирование, охлаждение турбины, оптимизация параметров рабочего процесса, потребный расход воздуха на охлаждение, охлаждение лопатки, охлаждение диска, КПД турбины

Библиографический список

  1. Tiemstra F.S. Design of a semi-empirical tool for the evaluation of turbine cooling requirements in a preliminary design stage. Master Thesis. Delft University of TechnologyFaculty of Aerospace Engineering. 2014. — 147 p. URL: http://resolver.tudelft.nl/uuid:225cfccd-2fc3-4a4d-a8a8-c24bd24bae44

  2. Копелев С.З. Охлаждаемые лопатки газовых турбин: Тепловой расчет и профилирование. — М.: Наука, 1983. — 146 с.

  3. Ba W., Wang Z., Li X., Gu C. Three-dimensional optimal design of a cooled turbine considering the coolant-requirement change // Open physics. 2019. Vol. 17. Issue 1, pp. 768-778. DOI: 10.1515/phys-2019-0080

  4. Ba W., Wang X.-C., Li X.-S., Ren X.-D., Gu C.-W. Definition of cycle based comprehensive efficiency of a cooled turbine // Energy. 2019. Vol. 168, pp. 601-608. DOI: 10.1016/j.energy.2018.11.137

  5. Young J.B., Horlock J.H. Defining the efficiency of a cooled turbine // Journal of Turbomachinery. 2006. Vol. 128. Issue 4, pp. 658-667. DOI: 10.1115/1.2218890

  6. Salpingidou C., Tsakmakidou D., Vlahostergios Z., Misirlis D.M., Flouros M., Yakinthos K. The effect of turbine blade cooling on the performance of recuperative cycles for gas turbines applications // Chemical engineering transactions. 2017. Vol. 61, pp. 1027-1032. DOI: 10.3303/CET1761169

  7. Sahu M.K., Sanjay. Investigation of the effect of air film blade cooling on thermoeconomics of gas turbine based power plant cycle // Energy. 2016. Vol. 115. Part 1, pp. 1320-1330. DOI: 10.1016/j.energy.2016.09.069

  8. Song Y., Gu C.-W., Ji X.-X. Development and validation of a full-range performance analysis model for a three-spool gas turbine with turbine cooling // Energy. 2015. Vol. 89, pp. 545-557. DOI: 10.1016/j.energy.2015.06.015

  9. Vassiliev V., Granovskiy A., Lomakin N. Impact of turbine blade internal cooling on aerodynamic loss // ASME Turbo Expo 2015: Power for Land, Sea and Air (15–19 June 2015; Montreal, Quebec, Canada). Paper No GT2015-42696. DOI: 10.1115/GT2015-42696

  10. Holland M.J., Thake T.F. Rotor blade cooling in high pressure turbines // Journal of Aircraft. 1980. Vol. 17. No. 6, pp. 412-418. DOI: 10.2514/3.44668

  11. Ainley D.G. Internal air-cooling for turbine blades: A general design survey. — Aeronautical research council reports and memorandum. 1957. No. 3013. — 40 p.

  12. Consonni S. Performance prediction of gas/steam cycles for power generation. PhD thesis No. 1893-T. — Princeton University, 1992.

  13. Torbidoni L., Horlock J.H. A new method to calculate the coolant requirements of a high-temperature gas turbine blade // Journal of Turbomachinery. 2005. Vol. 127. No. 1, pp. 191-199. DOI: 10.1115/1.1811100

  14. Horlock J.H., Watson D.T., Jones T.V. Limitations on gas turbine performance imposed by large turbine cooling flows // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2001. Vol. 123. No. 3, pp. 487-494. DOI: 10.1115/1.1373398

  15. Vadlamudi T.C., Kommineni R., Katuru B.P. Exergy assessment of air film blade cooled combined power cycle plant // International journal of ambient energy. 2018. Vol. 41. Issue 9, pp. 994-1006. DOI: 10.1080/01430750.2018.1501740

  16. Vadlamudi T.C., Kommineni R., Katuru B.P. Performance augmentation of combined cycle power plant under the control of differing open loop cooling techniques to the gas turbine blades // International Journal of Ambient Energy. 2020, pp. 1-13. DOI: 10.1080/01430750.2020.1712249

  17. Jordal K. Gas turbine cooling modeling — thermodynamic analysis and cycle simulations. Thesis for the Degree of Licentiate in Engineering. — Division of thermal power engineering department of heat and power engineering Lund Institute of Technology, Sweden, 1999. — 93 p.

  18. Jiang C., Chen H.-P. Study on approximate calculation of cooling air allocation for gas turbine // Asia-pacific Power and Energy Engineering Conference (27-31 March 2009; Wuhan, China). 2009. DOI: 10.1109/APPEEC.2009.4918801

  19. Yin F., Tiemstra F.S., Rao A.G. Development of a flexible turbine cooling prediction tool for preliminary design of gas turbines // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2018. Vol. 140. Issue 9. Paper No GTP-18-1043. DOI: 10.1115/1.4039732

  20. Yin F., Rao A.G., Bhat A., Chen M. Performance assessment of a multi-fuel hybrid engine for future aircraft // Aerospace Science and Technology. 2018. Vol. 77, pp. 217-227. DOI: 10.1016/j.ast.2018.03.005

  21. Швец И.Т., Дыбан Е.П. Воздушное охлаждение деталей газовых турбин. — Киев: Наукова думка, 1974. — 488 с.

  22. Li C., Liu J.-J. A one-dimensional analytical method for turbine blade preliminary cooling design // ASME Turbo Expo 2016: Power for Land, Sea and Air (13–17 June 2016; Seoul, South Korea). Paper No GT2016-56783. DOI: 10.1115/GT2016-56783

  23. Li H.-B., Gu C., Song Y. Through-flow calculation with a cooling model for cooled turbines // Proceedings of the institution of mechanical engineers, Part A: Journal of Power and Energy. 2015. Vol. 229. Issue 8, pp. 862-875. DOI: 10.1177/0957650915594294

  24. Li H., Gu C. Through Flow Calculations for Convective Cooling Turbines // ASME Turbo Expo 2014: Power for Land, Sea and Air (16–20 June 2014; Düsseldorf, Germany). Paper No. GT2014-26504. DOI: 10.1115/GT2014-26504

  25. Ле Т.З., Нестеренко В.Г. Особенности проектирования охлаждаемых лопаток высокотемпературных турбин высокого давления с бандажной полкой // Международный научно-исследовательский журнал. 2018. № 1(67). Ч. 1. С. 84-90. DOI: 10.23670/IRJ.2018.67.087

  26. Кузьмичев В.С., Трофимов А.А. Проектный расчет основных параметров турбокомпрессоров авиационных ГТД: Учеб. пособие. — Куйбышев: КуАИ, 1990. — 72 с.

  27. Иноземцев А.А., Нихамкин М.А., Сандрацкий В.Л. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок: В 5 т. — Т. 2. Компрессоры. Камера сгорания. Форсажные камеры. Турбины. Выходные устройства. — М.: Машиностроение, 2008. — 365 с.

  28. Тема № 20. Охлаждение газовых турбин. URL: https://helpiks.org/3-88101.html

  29. Гриценко Е.А., Данильченко В.П., Лукачев С.В. и др. Некоторые вопросы проектирования авиационных газотурбинных двигателей. — Самара: СНЦ РАН, 2002. — 527 с.

  30. Павленко Г.В., Волов А.Г. Газодинамический расчет осевой газовой турбины: Учеб. пособие. — Харьков: ХАИ, 2007. — 76 с.

  31. Холщевников К.В., Емин О.Н., Митрохин В.Т. Теория и расчет авиационных лопаточных машин: Учебник. — 2-е изд. перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1986. — 432 с.

  32. Кулагин В.В., Кузьмичев В.С. Теория, расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок: Учебник: В 2 кн. — Кн. 1. Основы теории ГТД. Рабочий процесс и термогазодинамический анализ. — 4-е изд., испр. — М.: Инновационное машиностроение, 2017. — 336 с.

  33. Григорьев В.А., Ждановский А.В., Кузьмичев В.С. и др. Выбор параметров и термодинамические расчеты авиационных газотурбинных двигателей: Учебное пособие. — 2-е изд., испр. и доп. — Самара: Изд-во СГАУ, 2009. — 202 с.

  34. Деревянко А.В., Журавлев В.А., Зикеев В.В и др. Основы проектирования турбин авиадвигателей / Под ред. С.З. Копелева. — М.: Машиностроение, 1988. — 328 с.

  35. Поткин А.Н. Разработка комплексного подхода к проектированию охлаждаемых высокотемпературных газовых турбин с целью снижения рисков и сроков разработки: Дисс. ... канд. техн. наук. — Рыбинск, 2014. — 134 с.

  36. Zhang J., Zhang S., Wang C., Tan X. Recent advances in film cooling enhancement: a review // Chinese Journal of Aeronautics. 2020. Vol. 33. Issue 4, pp. 1119-1136. DOI: 10.1016/j.cja.2019.12.023

  37. Kumar S., Singh O. Thermodynamic evaluation of gas/steam combined cycle performance with active controlled film cooling // Distributed Generation and Alternative Energy Journal. 2014. Vol. 29. Issue 1, pp. 49-60. DOI: 10.1080/21563306.2014.10781515

  38. Гуревич О.С., Гольберг Ф.Д., Петухов А.А., Зуев С.А. Применение программного обеспечения «Виртуальный двигатель» в системах охлаждения узлов газотурбинного двигателя // Вестник Московского авиационного института. 2017. Т. 24. № 3. С. 83-94.

  39. Колычев А.В., Керножицкий В.А., Левихин А.А. Система охлаждения лопаток турбин газотурбинных двигателей, выполненных из жаропрочных сплавов и проводящей керамики (боридов и карбидов) // Вестник Московского авиационного института. 2018. Т. 25. № 3. С. 143-150.

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2024