Математическое моделирование системы охлаждения газотурбинного двигателя мощностью 5,5 МВт

В работе описан подход к теплогидравлическому расчету системы охлаждения одновального газотурбинного двигателя (ГТД). Расчет основан на разработке подробной одномерной модели геометрии каналов системы подвода охлаждающего воздуха к основным охлаждаемым элементам газотурбинного двигателя. Расчёт в математической модели базируется на 1 и 2 законах Кирхгофа с выделением минимального дерева в виде графа, в котором ветвями и узлами формируется гидравлическая сеть. Рассмотрены схемы подвода охлаждающего воздуха от осевого компрессора к опорному, опорно-упорному подшипникам, статору и ротору турбины. Разработана подробная одномерная модель каналов системы подвода охлаждающего воздуха, включая одномерные модели каналов охлаждающего воздуха в сопловых и рабочих лопатках турбины. В результате получено распределение давлений и расходов в каналах системы охлаждения. Одномерные расчётные модели каналов охлаждения сопловых и рабочих лопаток турбины верифицированы на основе холодных продувок на стенде проверки пропускной способности. Выполнен одномерный (по среднему диаметру) и трехмерный (CFD) газодинамический расчет турбины для определения распределения параметров газового потока по венцам турбины. Результаты этих расчетов использовались в качестве граничных условий для математической модели каналов системы охлаждения. Также был выполнен теплогидравлический расчет регенеративной системы охлаждения жаровой трубы камеры сгорания (КС) в одномерной постановке. В результате расчета были определены потери полного давления и распределения температуры стенок жаровой трубы по ходу движения потока охлаждающего воздуха.

На основе разработанной одномерной модели системы охлаждения газотурбинного двигателя были определены гидродинамические характеристики, определены скорости, расходы, давления и температуры охладителя во всех каналах охлаждающего тракта.

1. Исследование эффективности различных систем охлаждения перспективных газотурбинных двигателей. И. М Малиновский, В. Г. Нестеренко, А. В. Стародумов, А. М. Андреев. Инженерный журнал: наука и инновации 2022; (8): 1 – 21.

2. Бердник А. Н., Боровиков А. А. Использование различных систем охлаждения газотурбинной установки. «Ученые заметки ТОГУ» 2022; (4): 80 – 84.

3. Швалев С. О., Сендюрев С. И. Исследование влияния геометрии системы подвода охлаждающего воздуха на эффективность охлаждения рабочей лопатки газовой турбины. Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. 2023; (75): 5 – 15.

4. Письменный В. Л. Методы и способы повышения температуры газа перед турбиной газотурбинного двигателя. Известия высших учебных заведений. Машиностроение 2023; (6): 108 – 118.

5. Результаты сопряжённого моделирования и анализа теплового состояния рабочей лопатки турбины высокого давления. В. Н. Матвеев, С. А. Мельников, Г. М. Попов, В. М. Зубанов, И. А. Кудряшов, А. И. Щербань. Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение 2023; (1): 98 – 111.

6. Разработка и исследование конструкций охлаждаемых лопаток газовых турбин с использованием метода реверс-инжиниринга. С. К. Осипов, И. В. Шевченко, Н. Д. Рогалев, А. Н. Вегера, П. А. Брызгунов. Вестник Московского авиационного института. 2023; (2): 122 – 130.

7. Сенюшкин Н. C., Замурагина В. А., Салимова И. И. Исследование влияния работы системы охлаждения на температуру лопатки турбины низкого давления. Вестник УГАТУ. 2023; 1 (99): 3 – 12.

8. Лепанья Мойопа Чимба В. С. Применение трехмерной модели для численного расчета теплоотдачи в охлаждаемых каналах лопатки турбины ГТД. Международный научный журнал «Вестник науки» 2024; (6): 1672 – 1680.

9. Григорьев Е. М., Фалалеев С. В. Оценка теплового состояния турбины ГТД с использованием нейронных сетей. Вестник Московского авиационного института 2024; (1): 146 – 154.

10. Харлина Е. В. Малоэмиссионные камеры сгорания и способы охлаждения. Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника 2022; (70): 29 – 40.

11. Влияние теплообмена на пропускную способность внутренней системы охлаждения лопатки турбины ГТД. В. М. Зубанов, А. А. Харитонова, С. А. Мельников, И. А. Кудряшов. Перспективы развития двигателестроения: материалы международной научно-технической конференции имени Н. Д. Кузнецова, Самара, 21–23 июня 2023: 118 – 120.