Повышение эффективности системы подвода охлажденного воздуха к рабочей лопатке первой ступени турбины ГТД

Во введении представлена общая характеристика работы, включающая актуальность и
степень разработанности темы исследования, сформулирована цель исследования, отражены
научная новизна и практическая значимость выполненной работы, представлены положения,
выносимые на защиту, дан краткий анализ структуры и содержания работы.
Первая глава посвящена анализу современного состояния предмета исследования –
создания эффективных систем подвода воздуха к первой рабочей лопатке ТВД и постановке задач
диссертационной работы.
Проведенные к настоящему моменту экспериментальные и теоретические исследования
можно разбить на следующие основные научно-предметные направления.
Первое направление (1921…2007 г.г.) – решение фундаментальными аналитическими
способами классической задачи в упрощённой геометрической постановке натекания газового
потока на свободный вращающийся диск (Karman, Schlichting, Owen, Rogers, Дорфман, Шевчук и
др.). Авторами выполненных работ выведены дифференциальные и интегральные уравнения
течения газа, показано критическое значение числа Рейнольдса Re  , получены выражения для
момента сопротивления вращению Cm вращающегося диска, толщины пограничного слоя  и
безразмерного расхода воздуха, затягиваемого вращающимся диском в свой пограничный слой.
Число Рейнольдса Reϕ в выполненных исследованиях не превышает 2∙106.
Второе направление (1957…2006 г.г.) – прикладные и теоретические исследования течения
между двумя вращающимися дисками (Proudman, Stewartson, Hide, Owen, Rogers, Karabay, Wilson,
Chew, Childs и др.). По результатам работ вращающийся диффузор разделен по радиусу на три
характерных области. Проведены исследования влияния различных геометрических и режимных
параметров на основные характеристики потока во вращающемся диффузоре, к которым относятся
адиабатная эффективность  , коэффициент потерь давления  и затраты мощности системы на
прокачку охлаждающего воздуха N. При этом исследования по влиянию относительной ширины
диффузора S отн и абсолютного подогрева охлаждающего воздуха Т * за счет сил трения не
найдены. Диапазон критериев подобия и характерных параметров в выполненных исследованиях:
число Рейнольдса 2  105  Re  1.8  106 ; безразмерный расход 0.6  104  CW  4.9  104 ; обобщенный
параметр турбулентного потока 0.173  T  0.363 ; начальная закрутка потока: 1.18    2.5 .
Третье направление (1992…2007 г.г.) – исследование течения в аппарате закрутки и
камере смешения (Chew, Dittmann, Geis, Bricaud, Dullenkopf и др.) системы подвода
охлаждающего воздуха. Определено влияние различных параметров на коэффициенты расхода и
скорости Cd ,  аппарата закрутки, проанализированы особенности снижения температуры
охлаждающего воздуха при переходе из абсолютной в относительную систему координат.
Допускается решение задач аэродинамики системы подвода в адиабатной постановке. Диапазон
критериев подобия расширен в сторону увеличения верхних значений интенсивности течения и
взаимодействия воздуха и обтекаемых поверхностей: число Рейнольдса 3.8 105  Re  3.8 106 ,
безразмерный расход 1.2 10 4  СW  9.5 10 4 .
Четвертое направление (1957…2021 г.г.) – течение потока воздуха через отверстия во
вращающемся покрывном диске (Popp, Zimmerman, Dittmann, Geis, Самойлович, Морозов и др).
Несмотря на широкий спектр исследований, сравнение систем подвода с отверстиями и без них не
проведено. Диапазон критериев подобия и кинематических параметров: число Рейнольдса
Re  8.6 105 ; начальная закрутка потока: 0    4 .
Пятоенаправление(1981…2021 г.г.)-эточисленныеисследования
термогазодинамических характеристик систем подвода охлаждающего воздуха в одно- и
трехмерной постановках с соответствующей степенью подробности представления
геометрических моделей элементов системы (Karabay, Wilson, Snowsill, Gupta, Owen ,Wilson, Geis,
Khalatov). Используется система уравнений Навье-Стокса и различные модели турбулентности.
Созданы 1D модели течения в системах подвода, но их применение требует постоянной настройки
либо по результатам экспериментов, либо на основании численного моделирования. Определены
основные показатели эффективности, лучшие практики и подходы к 3D моделированию систем
подвода. Однако, оптимальная величина радиуса подвода охлаждающего воздуха под покрывной
диск не обнаружена. При этом диапазон критериев подобия, и кинематических параметров
следующий: число Рейнольдса 0.77 106  Re  1.2 106 ; безразмерный расход 6.5 103  CW  2.6 104 ;
обобщенный параметр турбулентного потока 0.12  T  1.49 ; начальная закрутка потока: 0.5    3 .
На основе проведенного анализа можно заключить, что степень разработанности темы
диссертационной работы высокая, но есть ряд не достаточно исследованных вопросов, к которым
относятся:
– решение задачи по выбору радиуса расположения аппарата закрутки,
– оценка влияния и выбор ширины радиального диффузора системы подвода,
– влияние отверстий во вращающемся покрывном диске интегральные характеристики
системы.
К выявленным недостаткам также относится тот факт, что для большинства работ
совокупность значений диапазонов критериев подобия и независимых переменных ( Re  , CW , T ,  )
не соответствует диапазону критериев подобия перспективного ГТД, для которого число
Рейнольдса Re  , посчитанное по наружному диаметру вращающегося диффузора, достигает
уровня ≈ 2∙107, а обобщенный параметр турбулентного потока T во вращающемся диффузоре
лежит в диапазоне 0.4…0.6, что не позволяет обобщить характеристики систем подвода
охлаждающего воздуха с различными геометрическими параметрами для проектирования системы
подвода охлаждающего воздуха для сверхнагруженной ТВД двигателя нового поколения.
Решение выявленных проблем проектирования систем подвода возможно с
использованием математической модели, валидированной на основе экспериментальных данных.
Анализ технических проблем выявил методологические вопросы проектирования систем подвода
охлаждающего воздуха, которые требуют формулировки и апробации способов анализа
эффективности отдельных элементов системы подвода и оценки их влияния на характеристики
системы в целом.
На основании результатов и выводов из анализа современного состояния предмета
исследования сформулированы задачи диссертационного исследования.
Во второй главе представлена математическая модель изучаемого объекта и ее валидация
на основе экспериментальных данных.
Математическая модель изучаемого объекта – системы подвода воздуха к рабочей лопатке,
создана для проведения численных экспериментов с целью формирования базы данных по
параметрам – геометрическим, кинематическим и теплофизическим и характеристикам изучаемого
объекта – системы подвода и для выполнения сквозной многоуровневой апробации
разрабатываемых методов и способов термогазодинамического анализа и проектирования. Под
численными (компьютерными) экспериментами понимаются расчеты, выполненные с
использованием валидированной на основе экспериментальных данных математической модели
объекта исследования, достоверность которых достаточна для принятия решения о параметрах и
характеристиках объекта исследования без проведения модельных или натурных
экспериментальных исследований.
Создание математической численной модели было начато с определения ее геометрических
характеристик и граничных условий.
Варьирование расхода охлаждающего воздуха, поступающего в рабочую лопатку Gв , и его
полного давления на входе в аппарат закрутки p0* позволило провести численный эксперимент в
новых диапазонах критериев подобия и параметров течения, соответствующих режиму работы
перспективного ГТД: 1.69 107  Re  2.33 107 , 0.375  T  0.98 ; 2.79 105  Cw  5.73 105 при
начальнойзакруткепотока:0.55    2.5 .Полученнаябазарезультатовчисленных
экспериментов включает 486 вариантов расчетов систем подвода с различными радиусами
расположения и площадями АЗ, шириной вращающегося диффузора, с отверстиями во
вращающемся покрывном диске и без них. Численный эксперимент проводился по классическому,
частично насыщенному плану.
При дискретизации осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса (RANS)
использована аппроксимация по методу конечных объемов со схемой второго порядка точности.
При решении уравнения энергии учитывалась работа вязких сил. Эффект плавучести в поле
центробежных сил не учитывался.
Разработан и апробирован способ комплексной валидации математической модели
системы подвода воздуха к рабочей лопатке турбины, состоящий из следующих трех этапов. На
первом этапе проводится валидация по основным термогазодинамическим параметрам потока в
осевом зазоре. На втором – по расходным характеристикам аппарата закрутки. На третьем – по 3D
тепловому состоянию рабочей лопатки.
В ходе валидации математической модели получено отклонение результатов расчета от
экспериментальных данных не более 1%.
На основе экспериментальных данных ПАО «ОДК-Сатурн», полученных с участием
автора, разработана и валидирована математическая модель системы подвода охлаждающего
воздуха к рабочей лопатке, которая позволяет проводить сквозную многоуровневую апробацию
разрабатываемых способов термогазодинамического проектирования систем подвода.
Результаты применения разработанной математической модели системы подвода
охлаждающего воздуха к рабочей лопатке турбины первой ступени турбины ГТД представлены в
последующих главах.
В третьей главе представлена формулировка и апробация метода первичного
поэлементного термогазодинамического анализа системы подвода охлаждающего воздуха.
Разработанный метод состоит из следующих четырех способов.
1. Способ анализа аэродинамической эффективности аппарата закрутки и проверки
результатов численного моделирования состоит из следующих расчетно-аналитических этапов. На
первом этапе определяется коэффициент расхода, на втором – коэффициент скорости и на третьем
– проводится проверка результатов численного моделирования по сопоставлению коэффициентов
скорости η и расхода Cd . Коэффициент скорости  всегда должен быть больше коэффициента
 is необходимо вести по соответствующей изоэнтропной
расхода Cd . Расчет идеального расхода m
скорости истечения c1ais , с учетом изоэнтропной температуры на выходе из АЗ T1ais , и
зависимости изобарной теплоемкости от температуры C p  f (T ) . В противном случае
погрешность увеличится и составит порядка 3%. Разработанный способ является базой для
дальнейшего анализа характеристик, так как эффективность АЗ является ключевым вопросом
обеспечения суммарной эффективности системы.
2. Способ анализа и увеличения аэродинамической и тепловой эффективности камеры
смешения, расположенной за аппаратом закрутки, состоит из следующих двух расчетно-
аналитических этапов. На первом этапе проводится оценка аэродинамической эффективности
путем определения относительного расхода «паразитного» воздуха/газа G , затекающего в камеру
смешения из аппарата закрутки и смежных полостей, и соответствующее ему соотношение
реальной и идеальной закруток воздушного потока 1 1is  f G  .
На втором этапе производится определение тепловой эффективности камеры смешения.
Для определения которой вводится понятие потерь хладоресурса втекающего воздуха:
QТ  1  Т Т is  100% , где T  Т1  Т1rel – разница полной температуры в абсолютном и
**

относительном движениях в камере смешения, Tis  Т1*  Т1*rel is – разница между полной
температурой в абсолютном движении и изоэнтропной температурой в относительном движении в
камере смешения.
3. Способ расчета характеристик отверстий в покрывном диске и их влияние на
характеристики «соседних элементов» состоит из следующих трех этапов.
На первом этапе необходимо определить величину коэффициента расхода вращающихся
отверстийCd ОТВ во всем диапазоне рабочих режимов. На втором этапе для оценки влияния
отверстий на характеристики аппарата закрутки вводятся понятия коэффициента дросселирования
CDR  f (1 ) , и коэффициента перепада давления ( АЗ )  f ( 1 ) . Первый показывает изменение
расхода через АЗ, а второй – изменение перепада давления на АЗ при введении в конструкцию
вращающихся отверстий, расположенных на покрывном диске.
На третьем этапе определяется влияние отверстий, расположенных на покрывном диске, на
параметры потока во вращающемся диффузоре (  b , Tb*rel , pb* rel – закрутка потока, температура и
давление на выходе из вращающегося диффузора), в зависимости от начальной изоэнтропной
закрутки 1is и соотношения площадей AОТВ ААЗ отверстий и аппарата закрутки:
b , Tb*rel , pb* rel  f 1is ,  AОТВ ААЗ  .
Таким образом: предложен и апробирован способ анализа влияния отверстий во
вращающемся покрывном диске турбины ГТД на характеристики системы подвода охлаждающего
воздуха. Этот способ анализа заключается в оценке характеристик «соседних» по отношению к
отверстиям элементов и позволяет получить зависимости коэффициента дросселирования
аппарата закрутки и деградации параметров потока во вращающемся диффузоре в зависимости от
начальной закрутки потока для систем с отверстиями и без них.
4. Способ анализа изменения основных интегральных характеристик потока во
вращающемся диффузоре на основе адаптированных критериев подобия
В ходе исследований по теме диссертационной работы проведена адаптация классических
критериев подобия закрученного течения Ro , Ek в радиальном диффузоре с вращающимися
стенками, для их использования в прикладном исследовании.
Предложен и апробирован способ анализа характеристик потока во вращающемся диффузоре
системы подвода, который состоит из следующих четырех этапов:
1. Анализ зависимостей закрутки потока  от адаптированных критериев подобия и

кинематических параметров течения воздуха   f Re  , CW , T , сравнение с  free  1 r12 rb2 
(течение по закону свободного вихря) и  solid  1 (течение по закону твердого тела). 2. Анализ
тепловойадиабатнойэффективностивращающегосядиффузора  f 1 , T , Re  и
абсолютного подогрева T2*1  T2*  T1*  f 1 , Re  , оценка подогрева охлаждающего воздуха в
диффузоре за счет сил трения в пограничном слое. 3. Анализ аэродинамического качества
вращающегося диффузора по величине коэффициента потерь давления   f 1 , CW , Re . 4. Анализ
энергетической эффективности диффузора. Определение потерь мощности турбины, связанных с
течением воздуха во вращающемся диффузоре.
В ходе апробации проведен анализ влияния адаптированных критериев подобия течения и
зависимых безразмерных геометрических и кинематических переменных на основные
интегральные характеристики потока (Рис. 1-2).
Из рис. 1 видно, что чем больше начальная закрутка потока, тем ниже температура под
рабочей лопаткой и меньше генерация тепла за счет трения потока в пограничном слое.

Рисунок 1 – Зависимость адиабатнойРисунок 2 – Зависимость абсолютного
эффективности полости вращающегосяподогрева воздуха в полости вращающегося
диффузора  от начальной закруткидиффузора  от начальной закрутки
Абсолютный подогрев T2* 1 только за счет трения в пограничном слое для современного
двигателя может достигать 10°С в случае слабозакрученного потока на входе в диффузор (рис. 2).
Охлаждающий воздух, вращается в диффузоре быстрее, чем если бы он двигался по закону
свободного вихря, но его температура в абсолютном и, следовательно, в относительном движениях
увеличиваются за счет трения потока о стенки, причем чем выше число Re  , тем интенсивнее
подогрев. Похожие результаты получены H. Karabay, J.-X. Chen, R. Pilbrow, M. Wilson, J. M. Owen,
Flow in a “Cover-Plate” Preswirl Rotor-Stator System, J.of TM vol. 121, pp 160-166., однако авторам не
удалось в явном виде выделить составляющую, связанную с подогревом потока за счет сил трения
в пограничном слое.

Рисунок 3 – Зависимость коэффициентаРисунок 4 – Потери мощности N турбины
снижения давления в полости вращающегосядвигателя, связанные с течением во
диффузора от начальной закруткивращающемся диффузоре в зависимости от
начальной закрутки
При увеличении начальной закрутки потока 1 пропорционально снижается давление на
*
выходе из вращающегося диффузора P2 rel . При этом подкачивающий эффект, когда наблюдается
рост относительного давления охлаждающего воздуха во вращающемся диффузоре, реализуется
для диапазона начальной закрутки 1  0.9 (рис. 3). При увеличении числа Re , толщина
пограничных слоев на вращающихся стенках и потери полного давления (коэффициент  
*
снижаются, то есть давление на выходе из вращающегося диффузора P2 rel увеличивается.
Затраты мощности N турбины двигателя, связанные с течением во вращающемся
диффузоре, увеличиваются с увеличением безразмерного расхода CW , и уменьшаются с
увеличением начальной закрутки 1 и числа Re . (рис. 4).
Использование теории подобия при представлении результатов анализа данных о физических
свойствах изучаемого процесса течения охлаждающего воздуха во вращающемся диффузоре
системы подвода позволило с большей полнотой раскрыть знания, содержащиеся в результатах
расчетов и найти рациональную форму их представления. Полученные в ходе апробации
результаты применимы для рассмотренного диапазона критериев подобия.
По результатам сквозной многоуровневой апробации предложенного метода
поэлементного анализа, кроме уже представленных на рисунках 1-4 результатов, в
диссертационной работе получено следующее: а) показано, что коэффициент скорости на 1..2%
больше коэффициента расхода аппарата закрутки; б) выявлено, что затекание «паразитного»
воздуха в камеру смешения в объеме 10% почти на 22% снижает реальную закрутку 1
относительно идеальной; в) определено, что если увеличивать радиус расположения аппарата
закрутки с 0.5 до 0.83 и не снижать закрутку потока, то потери хладоресурса затекающего воздуха
резко увеличиваются с 25% до 37%; г) показано, что коэффициент расхода вращающихся
отверстий может быть увеличен на 30% путем изменения соотношения площади отверстий и
аппарата закрутки; д) выявлено, что вращающиеся отверстия в зависимости от начальной закрутки
оказывают как дросселирующий до 2%, так и подкачивающий до 5% эффект на аппарат закрутки.
В четвертой главе сформулированы и апробированы на валидированной математической
модели четыре способа анализа характеристик системы подвода охлаждающего воздуха.
1.Способы оценки основных термогазодинамических характеристик системы подвода
в составе.
а) способ аналитической оценки потенциала системы по величине максимального
снижения температуры на выходе из аппарата закрутки. Предложенный способ реализуется в
последовательности следующих двух этапов:
– на первом этапе из уравнения сохранения энергии необходимо получить выражение для
снижениятемпературызааппаратомзакруткидляконкретнойсистемы:
 r2
21  1  2u1r1   r1 , и построить зависимость относительно начальной закрутки.
2 22 2

Т 0*1 
2CP2CP
– на втором этапе на основании оценки располагаемого перепада давления, скорости
истечения и радиуса расположения АЗ оценивается максимально достижимый эффект снижения
температуры.
В ходе апробации определена величина максимального эффекта снижения температуры
для двигателя нового поколения, который составил порядка 90°С.
б) способ аналитической оценки максимально достижимых параметров охлаждающего
воздуха под рабочей лопаткой и выбора оптимального радиуса расположения АЗ, состоящий из
двух этапов:
– на первом этапе производится оценка минимальной температуры и максимального
давления под рабочей лопаткой на основе полученных аналитических выражений;
– на втором – проводится оценка величины оптимального радиуса расположения АЗ с
точки зрения минимизации потерь давления в байонетном соединении.
В ходе практического применения разработанных способов анализа (апробации) показано,
что при проектировании системы подвода охлаждающего воздуха на начальную закрутку потока
1is  1.7 , запас по снижению температуры может достигать 20°С и 12% по увеличению давления.
При этом показано, что разработанный способ дает возможность на любом этапе проектирования
или оптимизации системы оценить максимально достижимые параметры охлаждающего воздуха
под рабочей лопаткой, а, следовательно, оценить запас по возможному увеличению давления и
снижению температуры охлаждающего воздуха под рабочей лопаткой.
2. Способ выбора оптимального радиуса расположения аппарата закрутки.
Ключевым этапом предложенного способа является определение располагаемого перепада
давления на аппарате закрутки (АЗ) в системе подвода и определение критериев выбора
оптимального радиуса его расположения.
Для перепада давления воздуха на АЗ, равном 1.9 оптимальный относительный радиус его
расположения составит rАЗ  0.55 , а при перепаде 1.2 оптимальный относительны радиус
увеличивается и составит 1.35, что не устроит конструктора, которому не удастся расположить АЗ
выше относительного радиуса = 1.0. При этом снижение располагаемого перепада давления на АЗ,
пропорционально увеличивает затраты мощности турбины, которые на практике могут достигать
2% и более. Разработанный способ позволяет определить потребный радиус расположения
аппарата закрутки для любого располагаемого перепада давления воздуха на АЗ. Показано, что
если у конструктора при проектировании нет возможности выбора перепада на АЗ, тогда задача
определения оптимального радиуса решается однозначно. При проектировании изменение
перепада давления на аппарате закрутки достигается варьированием площади горла аппарата
закрутки в допустимых пределах и другими конструктивными мероприятиями, контроль качества
получаемого решения при этом осуществляется по основным термогазодинамическим
характеристикам системы:  ,  и N .
3.Способ сравнения систем с отверстиями и без во вращающемся покрывном диске.
В основе данного способа лежит построение расчетных зависимостей относительного
давления PРК* P1*  f (1is ) и снижения температуры под рабочей лопаткой Т РК
*
 Т1*  f ( 1is ) от
начальной закрутки потока.
Если задаться требуемым уровнем относительного давления под рабочей лопаткой, то
можно определить потребные начальные закрутки потока на выходе из АЗ для систем с
отверстиями и без, чтобы затем по ним определить эффект снижения температуры под рабочей
лопаткой, и аналогичным образом поступить с затратами мощности на прокачку охлаждающего
воздуха.
В ходе апробации получено, что если задать требуемый уровень давления под рабочей
лопаткой PРК*  0.7  Pк* , то эффект снижения температуры для систем без отверстий почти на 48%
выше, чем для систем с отверстиями, что для относительного радиуса 0.66 и уровня температур
двигателя прототипа соответствует 13 градусам. При этом, потери мощности для систем с
отверстиями выше на 21%.
4.Способ оценки влияния и выбора ширины вращающегося диффузора.
Данный способ реализуется в последовательности следующих шагов:
1. Определение показателя политропы процесса сжатия воздуха в зависимости от
начальной закрутки потока и ширины вращающегося диффузора.
2. Представление процесса во вращающемся диффузоре в координатах давление-
удельный объем воздуха.
3. Определение изменения доли теплоты трения в термодинамическом процессе в
зависимости от показателя политропы n из уравнения dqТР dU  (n  k ) (n  1) .
4. Определение абсолютного подогрева воздуха T2*1abs во вращающемся диффузоре в
зависимости от начальной закрутки и критерия подобия Re .
5. Оценка изменения относительного полного давления под рабочей лопаткой в
зависимости от начальной закрутки и критерия подобия – безразмерного расхода воздуха Cw .
6. Определение изменения относительной полной температуры под рабочей лопаткой в
зависимости от начальной закрутки и критерия подобия Re .
7. Изменение затрат мощности системы подвода N в зависимости от начальной закрутки
и критерия подобия Re .
8. Сравнение характеристик систем подвода с радиальными диффузорами различной
ширины в зависимости от начальной закрутки, Re и CW (Рис. 5).

Рисунок 5 – Сравнение характеристик систем подвода с радиальными диффузорами различной
ширины в зависимости от начальной закрутки  для rАЗ  0.5 :
1, 6 – CW  5.18 105 ; 2, 5 – CW  4.39 105 ; 3, 4 – CW  2.79 105 .
Для систем подвода с «узким» вращающимся диффузором S отн  0.025 , особенно для
низких расходов CW и низких закруток потока, доля работы сил трения резко возрастает, при этом
возрастают потери мощности, и растет температура под лопаткой – применение в конструкции
ГТД такого диффузора не рекомендуется.
Системы подвода с «широким» Sотн  0.10 вращающимся диффузором начинают
проигрывать по температуре под лопаткой и затратам мощности из-за увеличивающейся площади
вращающихся поверхностей и доли теплоты трения dqТР dU соответственно.
Последовательное применение в инженерной практике проектирования систем подвода
разработанных и представленных в данной главе способов анализа представляет собой метод
выбора основных геометрических параметров системы подвода.
В пятой главе сформулирован комплексный подход к термогазодинамическому
проектированию системы подвода охлаждающего воздуха и представлены особенности его
практического применения, которые подтвердили свою актуальность в ходе апробации на
реальных промышленных задачах.

№1:№2:№3:№4:№5:№6:№7:№8:
rАЗ  0.56 ;rАЗ  0.6rАЗ  0.6rАЗ  0.83rАЗ  0.67rАЗ  0.6rАЗ  0.68rАЗ  0.58
S отн  0.04S отн  0.04S отн  0.04S отн  0.04S отн  0.01S отн  0.2S отн  0.02
Sотн  0.04 .
Рисунок 6 – Варианты систем подвода при Re   2  10 7 , T  0.6
Необходимость в термодинамическом проектировании и оценке потенциала по
улучшению характеристик уже существующей системы подвода воздуха может возникнуть у
главного конструктора на любом этапе НИР или ОКР по созданию перспективного двигателя
нового поколения.

Рисунок 7 – График совместной работы рабочейРисунок 8 – Диаграмма изменения перепада
лопатки и системы подвода – зависимостьдавления на рабочей лопатке относительно
приведенного расхода охлаждающего воздуха отбазовой системы (вар №1) в зависимости от
перепада давления на рабочей лопатке, где РЛ –варианта системы подвода.
расходная характеристика РЛ, 1,…,8 – номера
вариантов систем подвода.
На рис. 6 представлены прототипы рассмотренных существующих и перспективных
систем подвода воздуха к рабочей лопатке, с различной шириной вращающегося диффузора,
радиусом расположения АЗ, площадью АЗ, с отверстиями и без них во вращающемся покрывном
диске, с различной конструкцией байонетного соединения и формой каналов в диске.

Рисунок 9 – Диаграмма изменения температуры Рисунок 10 – Диаграмма изменения затрат
на рабочей лопатке в зависимости от варианта мощности на прокачку охлаждающего
системы подвода.воздуха в зависимости от варианта системы
подвода.
Вариант №1 – соответствует базовой геометрии системы подвода. Вариант №8
соответствует итоговой системе подвода, геометрия которой получена с использованием
разработанных способов поэлементного анализа и выбора основных геометрических
характеристик. Сравнение характеристик систем подвода целесообразно вести с имеющейся
расходной характеристикой рабочей лопатки (рис. 7). Из диаграмм, представленных на рисунках 8,
9 и 10 следует, что оптимизированная система подвода (вариант №8) приводит к увеличению
перепада на существующей РЛ на 11% и увеличению расхода воздуха через нее, снижению
температуры на 2.7% и более чем в 2 раза сниженными затратами мощности на его прокачку.
Стоит отметить, что если ввести дополнительное ограничение по расходу воздуха в рабочую
лопатку, то итоговая система (вариант №8) подвода еще больше увеличит свое преимущество
относительно базовой (Вариант №1) по температуре и затратам мощности.

Рисунок 11 – Структурная схема разработанного подхода к термогазодинамическому
проектированию системы подвода
Комплексное использование метода первичного поэлементного анализа (глава 3) и метода
выбора основных геометрических параметров (глава 4) определяет эффективность и состав
разработанного подхода к термогазодинамическому проектированию системы подвода.
Структурная схема разработанного подхода представлена на рис. 11.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. Исследование современного состояния вопросов по теме диссертации показало, что
существует ряд недостаточно исследованных вопросов проектирования, к которым относятся:
решение задачи по выбору радиуса расположения аппарата закрутки, оценка влияния и выбор
ширины радиального диффузора системы подвода, влияние отверстий во вращающемся
покрывном диске на интегральные характеристики системы. Анализ технических проблем выявил
методологические вопросы проектирования систем подвода охлаждающего воздуха, которые
требуют формулировки и апробации способов анализа эффективности отдельных элементов
системы подвода и оценки их влияния на характеристики системы в целом.
2. Предложен и апробирован подход к термогазодинамическому проектированию системы
подвода охлаждающего воздуха к рабочей лопатке первой ступени турбины ГТД, состоящий из: а)
метода первичного поэлементного термогазодинамического анализа и б) метода выбора основных
геометрических параметров системы подвода.
3. В состав метода первичного поэлементного термогазодинамического анализа вошли
четыре предложенных в работе способа анализа аэродинамической и тепловой эффективности
основных элементов системы подвода: аппарата закрутки, камеры смешения, вращающихся
отверстий и вращающегося диффузора.
4. В состав метода выбора основных геометрических параметров системы подвода вошли
четыре предложенных в работе способа оценки основных термогазодинамических характеристик
системы подвода и выбора ее геометрических характеристик.
5. На основе полученных экспериментальных данных, разработана и валидирована
универсальная математическая модель системы подвода охлаждающего воздуха к рабочей
лопатке, которая позволила провести сквозную многоуровневую апробацию предлагаемого
подхода к термогазодинамическому проектированию систем подвода.
6. Разработан и апробирован способ комплексной валидации математической модели
системы подвода охлаждающего воздуха к рабочей лопатке турбины. В ходе валидации
математической модели отклонение результатов расчета от экспериментальных данных не
превысило 1%.
7. При выполнении работы по созданию и апробированию составных частей
предложенного подхода к термогазодинамическому проектированию системы подвода в части
научной новизны:
7.1. Предложен способ анализа влияния отверстий во вращающемся покрывном диске
турбины ГТД на характеристики системы подвода, заключающийся в оценке характеристик
«соседних» по отношению к отверстиям элементов, который позволяет получить зависимости
коэффициента дросселирования аппарата закрутки и деградации параметров потока во
вращающемся диффузоре от начальной закрутки потока для систем с отверстиями и без отверстий.
7.2. Впервые установлено влияние относительной ширины радиального вращающегося
диффузора системы подвода, изменяющейся в диапазоне от 0.01 до 0.2, на термогазодинамические
характеристики потока охлаждающего воздуха в нем.
8. Применение на практике разработанного подхода позволило повысить эффективность
системы подвода охлаждающего воздуха к рабочей лопатке перспективного ГТД, при этом
получена конструкция системы подвода с уровнем давления воздуха под рабочей лопаткой на 11%
выше базовой системы, с одновременным снижением температуры на 2.7% и более чем в 2 раза
сниженными затратами мощности турбины на прокачку охлаждающего воздуха.
Основное содержание диссертации опубликовано:
в базе данных SCOPUS:
1. Didenko, R.А. Pre-swirl cooling air delivery system performance study / R.А. Didenko,
D.V. Karelin, D.G. Ievlev, Y.N. Shmotin, G.P. Nagoga // Proceedings of ASME Turbo Expo, 2012. –
GT68342-2012. – Р. 1-12;
в рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Министерства
образования и науки Российской Федерации:
2. Диденко, Р.А.Разработкатеоретическихосновгидро-газодинамического
моделирования течения вдоль диска турбины / Диденко Р.А. // Вестник Рыбинской
государственной авиационной технологической академии имени П.А. Соловьева. – Рыбинск. –
2009. – 1(15). – С. 77-83;
3. Диденко, Р.А. Влияние радиуса расположения аппарата закрутки на эффективность
системы подвода охлаждающего воздуха к рабочей лопатке газовой турбины / Р.А. Диденко, Б.М.
Конюхов, В.В. Лебедев // Вестник Рыбинской государственной авиационной технологической
академии им. П. А. Соловьева.- Рыбинск. – 2011. – 3 (21). – С. 10-14;
4. Диденко, Р.А. Исследование влияния ширины вращающегося диффузора на
адиабатическую эффективность и снижение давления в системе подвода воздуха к рабочей
лопатке турбины / Р.А. Диденко, Карелин Д.В., Д.Г. Иевлев, В.В. Лебедев, Е.В. Белоусова //
Вестник СГАУ, Труды “Международной научно-технической конференции “Проблемы и
перспективы развития двигателестроения”. – Самара. – 2011. – С.233-240;
5. Диденко, Р.А. Выбор радиуса расположения аппарата закрутки в системе подвода
охлаждающего воздуха к рабочей лопатке ТВД / Р.А. Диденко, Д.В. Карелин, Д.Г. Иевлев, В.В.
Лебедев // Вестник СГАУ, Труды “Международной научно-техническая конференция “Проблемы
и перспективы развития двигателестроения”. – Самара. – 2011. – С.224-232;
6. Диденко, Р.А. Анализ характеристик потока между двумя вращающимися дисками в
системе подвода воздуха к рабочей лопатке турбины на основе адаптированных критериев
подобия/ Р.А. Диденко, Ш.А. Пиралишвили, В.Г. Шахов // Тепловые процессы в технике. – 2019. –
Т. 11. №10. – С. 434–446;
7. Диденко, Р.А. Проработка технологии выбора оптимального радиуса расположения
аппарата закрутки в системе подвода воздуха к рабочей лопатке турбины / Р.А. Диденко, Ш.А.
Пиралишвили, К.А. Виноградов // Тепловые процессы в технике. – 2019. -Т. 11. №11. – С. 514–526;
8. Диденко, Р.А. Влияние отверстий в покрывном диске на характеристики системы
подвода воздуха к рабочей лопатке турбины / Р.А. Диденко, Ш.А. Пиралишвили, В.Г. Шахов //
Тепловые процессы в технике. – 2020. -Т. 12. №6. – С. 271–281;
9. Диденко, Р.А. Теория и расчет течения в системе подвода воздуха к рабочей лопатке
турбины / Р.А. Диденко, Ш.А. Пиралишвили, К.А. Виноградов // Тепловые процессы в технике. –
2020. – Т. 12. №7. – С. 314-324.