Разработка системы охлаждения и верификация результатов моделирования температурного состояния рабочей лопатки газовой турбины

В статье представлен комплекс расчетно-проектировочных работ по разработке высокоэффективной системы охлаждения для рабочих лопаток высокотемпературных газовых турбин современных газотурбинных двигателей. Проведен анализ результатов экспериментальных исследований по эффективности конвективно-пленочной системы охлаждения рабочих лопаток, а также проведена дефектация данных лопаток, в ходе которой выявлены множественные трещины на выходной кромке. Выполнена доработка конструкции рабочей лопатки турбины высокого давления, при этом к использованию предлагается трехмерный подход к моделированию теплового состояния лопатки с решением сопряженной задачи теплопроводности. С целью определения пропускной способности и контроля стабильности изготовления модифицированной рабочей лопатки проведена продувка охлаждаемых каналов и отверстий рядов перфорации. На основании результатов экспериментальных исследований спроектирована математическая модель продувочного стенда на базе пакетов ANSYS CFX, соответствующая действительным размерам. В программе CFX-Solver Manager выполнен расчет суммарного расхода воздуха при открытых и закрытых отверстиях рядов перфорации, а также открытых и закрытых щелях в выходной кромке лопатки. На основании газодинамических и гидравлических расчетов проведены трехмерные тепловые расчеты в пакете ANSYS IСЕМ CFD с использованием граничных условий третьего рода и получены тепловые модели лопаток. Получены поля эффективности охлаждения отдельных сечений рабочей лопатки первой ступени турбины высокого давления. Проведена верификация теплового состояния данной лопатки по сечениям на основании результатов замера температур на максимальных режимах испытаний газогенератора на газовом стенде. Усовершенствованный инженерный метод расчета позволяет уточнить прогнозирование теплового состояния рабочей лопатки, а также проводить проектирование систем охлаждения лопаток газовой турбины современного газотурбинного двигателя.