При проектировании двигателя регулярно возникает необходимость оценки его характеристик — например, уровня вибрации, перемещений под действием нагрузок, прочности. Оценить их позволяют специальные программные комплексы и модели. При этом если в конструкцию нужно внести изменения — подкорректировать геометрию, нагрузку или материалы, — проводить расчеты и строить модели приходится заново.

— Элеонора Никольская. Студентка Передовой инженерной школы Санкт-Петербургского политехнического университета.

Виртуальный стенд, разработанный Элеонорой Никольской, позволяет не проделывать все необходимые процедуры с нуля, а вносить изменения в уже спроектированную конструкцию. Для этого нужно подкорректировать соответствующие строки в текстовом файле — модель отобразит правки и покажет, как они влияют на другие узлы и детали двигателя и как в зависимости от них изменится его работа.

Сейчас стенд позволяет динамически изменять около 50 параметров. В будущем их количество должно вырасти до нескольких сотен. Как отмечают в вузе, решения, предложенные Элеонорой Никольской, после проведения итогового тестирования будут использоваться при разработке программной среды для создания цифровых двойников авиадвигателей.

Больше новостей об энергетике читайте на сайте журнала Энергия+: https://e-plus.media/news/

В России резко возросла потребность в замещении импортных магистральных пассажирских самолетов. Это требует от авиапредприятий ускоренного производства большого количества современных отечественных газотурбинных двигателей (ГТД), не уступающих по характеристикам мировым аналогам. Для этого необходимы новые технологии, которые обеспечат быстрое изготовление при стабильно высоких параметрах качества и конкурентоспособности. Ученые Пермского Политеха совместно со специалистами АО «ОДК-Авиадвигатель» разработали новый способ обработки одной из главных деталей газовой турбины – сопловой лопатки. Технология обеспечивает повышение производительности и точности изготовления сопловых лопаток для более качественной сборки современных газотурбинных двигателей.

Статья опубликована в научно-техническом журнале «Станкоинструмент», 2023 год. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

Именно газовая турбина обеспечивает основную тягу авиадвигателя и отвечает за движение и полет самолета. Ее работа заключается в том, что поток воздуха попадает в двигатель, сжимается с помощью компрессора, затем нагревается в камере сгорания, вращает лопатки турбины и на огромной скорости выбрасывается из сопла, толкая самолет вперед. В устройстве используется несколько видов лопаток. В каждом двигателе их примерно 2-3 тысячи.

Один из видов лопаток – сопловые. Они предназначены для правильного направления газового потока на рабочие лопатки турбины, чтобы создать необходимый крутящий момент и вращение ротора двигателя. Процесс обработки этих деталей трудоемкий и часто замедляется из-за их сложной геометрии и конструкции.

Традиционно сопловые лопатки турбин шлифуют на нескольких различных универсальных станках с применением шлифовальных кругов и часто без смазочно-охлаждающих жидкостей. На это уходит много времени, что сдерживает все производство. Кроме того, не достигаются нужные параметры точности лопаток и шероховатость поверхности – появляются деформации, может искажаться итоговая геометрия и форма лопаток. При последующей сборке соплового аппарата турбины это приводит к искажению размеров сечения для прохода газовых потоков, к изменению рабочих режимов двигателя, увеличению расхода топлива и снижению мощности.

Ученые Пермского Политеха совместно со специалистами АО «ОДК-Авиадвигатель» разработали наиболее эффективный технологический процесс шлифования. Он заключается во внедрении новых передовых методов цифрового контроля лопаток и многоосевых шлифовальных станков с числовым программным управлением (ЧПУ). Для управления техпроцессом разработано специальное ПО.

– В процессе выплавления лопаток их геометрия неизбежно искажается, что приводит к неправильному положению в турбине. Разработанная технология позволяет ее скорректировать. Для этого рассчитывается отклонение геометрии от требуемой и ее коррекция в процессе установки и глубинного шлифования на станке с ЧПУ по заданной программе. При этом все разносторонние поверхности лопатки шлифуются с высокой точностью, производительностью и требуемой шероховатостью. Такая технология обеспечивает ускоренное и более качественное производство сопловых лопаток, – рассказывает доктор технических наук, декан механико-технологического факультета ПНИПУ Михаил Песин.

Для шлифования ученые предлагают вместо импортных использовать отечественные керамические круги, которые по стойкости не уступают мировым аналогам и при этом в пять раз дешевле.

– Мы разработали специальное программное обеспечение, которое рассчитывает угол разворота и смещения лопатки. Когда деталь установлена на станке ЧПУ и развернута на нужный угол, начинается процесс шлифования ее базовых поверхностей, в ходе которого искажение профиля лопатки уменьшается. Тогда сборка соплового аппарата из обработанных по новой технологии сопловых лопаток турбины будет происходить быстрее и точнее, – объясняет доктор технических наук, профессор кафедры «Инновационные технологии машиностроения» ПНИПУ Владимир Макаров.

Такой способ существенно повышает производительность изготовления сопловых лопаток и сборки сопловых аппаратов. При этом обеспечивает более высокое качество поверхностного слоя: шероховатость снизилась до 0,3-0,4 мкм, обеспечены благоприятные сжимающие остаточные напряжения, микротвердость в пределах нормы, отсутствуют прижоги и трещины.

Новая технология обработки лопаток газотурбинных двигателей на станке ЧПУ с глубинным шлифованием и коррекцией поверхности уже внедрена и активно применяется на АО «ОДК-Авиадвигатель».

Время космического романтизма подарило миру и смелый, новаторский дизайн, и нетривиальные инженерные решения. Будто в воздухе витал какой-то технологический оптимизм: роторные двигатели, газотурбинные двигатели, пассажирская сверхзвуковая авиация... Концептуальный грузовик Ford по прозвищу Big Red сделан с таким размахом, будто он собирается везти грузы если не на Марс, то хотя бы на северный полюс. Но точно не развозить по домохозяйствам посылки с Амазона. Мы не склонны верить, что человечество в своих устремлениях мельчает, но некоторые вещи в 1960-х точно были крупнее...

На волне всеамериканской увлеченности космосом и футуризмом Ford в 1964 году представил свой самый яркий концепт-трак — разумеется, с газотурбинным двигателем. В 50–60-х годах разработку автомобилей с газотурбинными двигателями вели все три американских автогиганта — Chrysler, GM и Ford — и компания Генри Форда точно была не в числе отстающих.

Официально прототип назывался Ford Gas Turbine Truck, однако все (включая представителей компании) называли грузовик Big Red («Большой Красный»). Почему «Красный», думаем, в пояснении не нуждается, а вот эпитет «большой» для наглядности проиллюстрируем: вместе с двумя прицепами Fruehauf длина автопоезда составляла почти 30 метров, а его высота достигала 4 метров — полноценный одноэтажный дом.

Свой официальный дебют Big Red оформил на Всемирной Ярмарке в Нью-Йорке — на той же самой выставке, где дебютировал Mustang и засветился концепт GM Firebird IV. Только перед этим он совершил турне через всю страну — от одного побережья до другого. В ходе испытаний грузовик доказал относительную эффективность, демонстрируя расход топлива на уровне 100 литров на 100 километров. Результат, казалось бы, не сильно выдающийся, однако благодаря бакам, чья общая вместимость составляла 1000 литров, Big Red обладал солидной автономностью… Ну, по меркам газотурбинного грузовика.

Не менее впечатляющей оказалась и его тяговитость — полностью загруженный автопоезд, чья масса составляла 77 тонн, мог развивать скорость до 115 километров в час. Но это если были задействованы все 600 сил газотурбинного двигателя, который имел сложную двух-турбинную систему. В отличие от другого экспериментального тягача, GM Bison, турбины грузовика Ford имели одинаковую мощность и могли быть задействованы по нажатию кнопки. Часть мощности обеих установок расходовалась на дополнительные нужды: охлаждение рефрижераторов, кондиционирование салона и так далее.

Кузов Big Red изготовили из стали, а облицовка верхней части, в которой располагалась кабина водителей, была выполнена из стеклопластика. Благодаря специальным юбкам по бокам кабины инженерам Ford удалось побороть возмущение воздушных потоков на высокой скорости, что значительно улучшило обтекаемость (и топливную экономичность) грузовика. Кстати, верхняя часть с кабиной была на пневматической подушке — за много лет до Renault Magnum и «МАЗа-Перестройки».

Передние колеса грузовика крепились к телескопическим амортизаторам, что в те годы было в новинку, а тормозная система имела необычную «защиту» — если давление воздуха в системе было ниже нормы, колеса блокировались и не позволяли грузовику выходить в рейс. Не менее интересным был и интерьер Big Red, который возвышался над землей на добрых два метра.

Чтобы попасть в салон, водителю требовалось повернуть специальный рычаг, после чего пневмопривод открывал дверь, а электропривод выдвигал лестницу до самой земли. Поскольку высота потолка составляла почти два метра, в кабине можно было ходить в полный рост. Еще одно новшество — ровный пол.

Закрывалась дверь кнопкой на панели, так что водителю не приходилось тянуться. Обзорность у Big Red была первоклассная — панорамное остекление позволяло видеть всю дорогу перед собой. Перед водителем — руль и несколько контрольных приборов, чтобы следить за состоянием турбин. Традиционного рычага коробки передач не видно, так как здесь здесь была установлена 5-скоростная автоматическая трансмиссия Allison.

Для отдыха в траке было всё, что можно только пожелать: кулер для воды, мини-холодильник, микроволновая печь, умывальник с горячей и холодной водой, даже небольшой туалет! Напротив кресла напарника располагался телевизор, картинка с которого не была видна водителю — в общем, на борту Big Red присутствовали все мыслимые блага цивилизации, которые только были доступны в 1964 году.

Увидеть эту машину на фотографиях мы можем благодаря щедрости национального автомобильного музея Великобритании. Причины, почему грузовик так и не стал серийным были те же, что и в случае с GM Bison и Chevrolet Turbo Titan III: усиление экологических норм, дороговизна конструкции и проблемы с сертификацией газотурбинных моторов в разных штатах. В итоге, счастливое будущее, о котором говорится в рекламе Ford, так и остается где-то впереди.

Источник

Для качественной и бесперебойной работы электростанций, авиации, нефтегазовой промышленности научное сообщество стремится модернизировать источники энергии, в том числе газотурбинные установки. Новое поколение турбин отличается улучшенными характеристиками двигателя, например, высокой температурой газа на выходе из камеры сгорания, что делает установки более мощными. Однако это негативно отражается на деталях турбины, в том числе на рабочих лопатках, которые участвуют в преобразовании кинетической энергии газового потока в механическую работу на валу двигателя. В среде горячего газа рабочие лопатки подвергаются огромным нагрузкам, из-за чего снижается их прочность и долговечность. Ученые Пермского Политеха повысили эффективность охлаждения рабочей лопатки турбины за счет модификации системы подвода воздуха.

Статья с результатами исследования опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника» №75, 2023 год.

Газотурбинный двигатель – это тепловая машина, предназначенная для преобразования энергии сгорания топлива в кинетическую энергию реактивной струи или в механическую работу на валу двигателя. Он состоит из  компрессора, камеры сгорания, турбины и вспомогательных систем. Газотурбинные установки широко применяются на электростанциях в качестве источника энергии.

Рабочие лопатки являются важным элементом турбины. Они представляют собой металлические пластины с хвостовиком, прикрепляющиеся к диску. Чтобы лопатка могла работать под постоянным потоком горячего газа, необходимо ее непрерывное охлаждение. Иначе ухудшаются механические характеристики материала, он быстро выходит из строя, становится недостаточно прочным и надежным для использования. Кроме того, важно обеспечить гарантированный перепад между охлаждающим воздухом и газом, иначе возможно затекание последнего во внутренние полости рабочей лопатки, что может привести к ее разрушению.

Сейчас применяют разные способы поддержания приемлемой температуры, но создание современных, более мощных газотурбинных двигателей требует модификации существующих систем охлаждения элементов турбины. Это позволяет справляться с возрастающими нагрузками.

Система охлаждения – это комплекс устройств, поддерживающий необходимую температуру металла лопаток турбины. Ученые ПНИПУ подобрали оптимальную конструкцию системы подвода воздуха, которая обеспечивает лучшее охлаждение рабочей лопатки. Для модификации конструкции исследователи создали расчетную модель турбины высокого давления. С ее помощью изучали, как изменение геометрии системы подвода охлаждающего воздуха повлияет на его температуру и тепловое состояние лопатки.

Ученые Пермского Политеха отмечают, что большое значение в конструкции имеет угол поворота отверстий в дефлекторе, радиус скругления кромок данных отверстий, а также расстояние между отверстиями и аппаратом закрутки. Дефлектор предназначен для дополнительной защиты диска турбины от воздействия горячих газов. Через отверстия дефлектора проходит охлажденный воздух на рабочие лопатки.

– Для снижения температуры охлаждающего воздуха в системе охлаждения используется «аппарат закрутки». Однако после него поток воздуха проходит через отверстия в дефлекторе, где происходят гидравлические потери и снижение предварительной закрутки. Поэтому важно сконструировать отверстия таким образом, чтобы воздух проходил через них безотрывно. Мы поворачивали отверстия на различные углы в сторону вращения ротора. Результаты показали, что поворот отверстий в дефлекторе позволяет снизить гидравлические потери охлаждающего воздуха и повысить расход воздуха в лопатку. Это позволило снизить температуру входной кромки, – объясняет аспирант кафедры «Авиационные двигатели» ПНИПУ Сергей Швалев.

Политехники обратили внимание, что дополнительное смещение отверстий дефлектора к аппарату закрутки еще улучшило охлаждение рабочей лопатки. А уменьшение камеры смешения дополнительно снижает давление в этой полости, что также снижает утечки воздуха в осевой зазор.

– Результаты расчетов подтвердили, что поворот отверстий в сторону вращения ротора обеспечивает плавное перетекание воздуха через них, повышает давление на входе в лопатку, увеличивает гарантированный перепад между охлаждающим воздухом и газовым потоком и снижает температуру материала лопатки, – поделился доцент кафедры «Авиационные двигатели» ПНИПУ Станислав Сендюрев.

Комбинированный вариант, предложенный учеными ПНИПУ, улучшает параметры охлаждения, снижает температуру входной кромки лопатки турбины. Модификация системы подвода воздуха позволяет эффективно охлаждать рабочие лопатки газотурбинной установки, сохраняя так прочность и долговечность их работы. Исследование будет полезно при улучшении уже спроектированных систем подвода, когда возможности по изменению конструкции ограничены.

Загрязнение окружающей среды токсичными продуктами сгорания – это одна из важнейших проблем современной теплоэнергетики. Сейчас в атмосферу в год выбрасывается 140 тысяч тонн оксидов азота, который негативно влияет на здоровье живых организмов. Согласно экологической политике России его концентрация в выхлопных газах не должна превышать 30 мг/ . Однако ни одна газотурбинная установка отечественного производства не может обеспечить соблюдение таких норм. Чтобы значительно снизить концентрацию оксидов азота в продуктах сгорания, ученые Пермского Политеха спроектировали систему очистки, эффективность применения которой более 90%.

Статья с результатами опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ. Электротехника, информационные технологии, системы управления».

Газотурбинные установки превращают энергию входящего воздуха в механическую работу вала, тем самым обеспечивая движение электрогенератора. Они широко применяются в ракетах и на электростанциях в качестве источника энергии. Однако при ее работе происходят большие выбросы продуктов сгорания в атмосферу. В их состав входит оксид азота – токсичный парниковый газ, который способствует глобальному потеплению.

В России для очистки выбросов газотурбинных установок применяют метод сухого подавления оксидов азота с помощью специальных встроенных камер сгорания. Но этот способ возможен только в установках нового поколения, где наличие таких камер предусмотрено сразу при производстве. В другом  методе, добавлении реагентов в выхлопные газы, появляется сложность в получении однородной смеси для качественной очистки.

Ученые ПНИПУ предлагают систему селективного каталитического восстановления. Метод заключается в том, что помимо реагентов, в газы добавляют еще и катализаторы. Они многократно усиливают эффект очистки, снижают расходы реагентов и температуру, повышают стабильность процесса. Это подходит для уже действующих и для газотурбинных двигателей нового поколения.

При таком способе идет химическое восстановление газов с помощью реагентов (мочевина, аммиак) до простейших составляющих – паров воды, углекислого газа, азота. Реагент вводится в поток дымовых газов до катализатора, на поверхности которого происходит очищение.

– Мы определяли концентрации оксидов азота на разных режимах работы газотурбинной установки до и после системы восстановления. При этом меняли расход реагента, впрыскивая его в выхлопы. Все теоретические и экспериментальные исследования подтвердили 100% эффективность очистки выхлопных газов от оксидов азота при применении системы восстановления на режиме 0,5 мощности установки, – поделился аспирант кафедры «Микропроцессорные средства автоматизации» ПНИПУ Никита Черепанов.

Политехники отмечают, что чем выше расход реагента, тем лучше эффективность. Также при увеличении частоты вращения турбины улучшается результат, если использовать в качестве реагента «аммиачную воду» и ухудшается при использовании «мочевины».

Проведенные учеными ПНИПУ расчеты доказали, что применение системы селективного каталитического восстановления благоприятно сказывается на очистке продуктов сгорания от оксидов азота. Так как концентрация выхлопов от отечественных газотурбинных установок превышает допустимые нормы, грамотная реализация технологии и учет всех необходимых параметров работы уменьшит степень загрязнения окружающей среды токсичными отходами.