Огляд сучасного стану проблеми плівкового охолодження лопаток газових турбін

Abstract

Створення й розвиток газотурбінних двигунів іде шляхом підвищення ККД вузлів і параметрів циклу, зокрема підвищення температури газу на вході в турбіну. Високі температури газу вимагають впровадження в конструкцію охолоджуваних деталей і вузлів турбіни. В першу чергу це стосується соплових і робочих лопаток газових турбін, сучасні зразки яких працюють при надвисоких температурах газу, а саме до 2000 К і вище. Для забезпечення надійної роботи лопаток поряд з конвективним (внутрішнім) охолодженням застосовується плівкове (зовнішнє або загороджувальне) охолодження, яке полягає у випуску охолоджувача на поверхні лопатки, що захищаються, з метою відтискування від них гарячого газу. Робочі лопатки з плівковим охолодженням почали свій розвиток у 1970-х роках, але є актуальними і в наш час, маючи місце в новітніх системах охолодження як, наприклад, лопатки з подвійною стінкою, або лопатки, що можуть бути вироблені за допомогою технологій 3D друку. На ефективність плівкового охолодження впливає ряд факторів, таких як розташування отворів перфорації щодо газового потоку (кути нахилу вісі отвору до стінки і до напрямку основного потоку), форма й щільність отворів перфорації плівкового охолодження, число рядів і відстань між рядами отворів, відносна довжина отворів, кривизна й шорсткість поверхні, наявність теплозахисного покриття, а також параметр вдуву отвору плівкового охолодження. Підвищення ефективності систем плівкового охолодження не тільки підвищує ресурс лопатки, але і зменшує відбори охолоджуючого повітря із-за компресора ГТД, що покращує характеристики двигуна. В області плівкового охолодження проведено великий обсяг робіт. В даній оглядовій публікації були розглянуті переважно найновіші (2020 – 2025 роки) статті, що стосуються систем плівкового охолодження лопаток газових турбін. Метою даної роботи є аналіз сучасних тенденцій в області плівкового охолодження: перспективні типи систем плівкового охолодження лопаток, вплив геометричних і режимних параметрів на ефективність охолодження, проблеми що вирішуються при проектуванні і розрахунку плівкового охолодження. The creation and development of gas turbine engines is driven by increasing the efficiency of components and cycle parameters, in particular by increasing the gas temperature at the turbine inlet. High gas temperatures require the introduction of cooled turbine parts and components into the design. First of all, this relates to the stator vanes and rotor blades of gas turbines, modern models of which operate at ultra-high gas temperatures, namely up to 2000 K and above. To ensure reliable operation of the blades, along with convective (internal) cooling, film (external or barrier) cooling is used, which consists in the injection of a coolant on the protected blade surface to push hot gas away from them. Film-cooled blades began their development in the 1970s, but are still relevant today, being used in the latest cooling systems, such as double-walled blades or blades that can be produced using 3D printing technologies. The efficiency of film cooling is influenced by a number of factors, such as the location of the perforation holes relative to the gas flow (angles of the hole axis to the wall and to the main flow direction), the shape and density of the film cooling perforation holes, the number of rows and spacing between rows of holes, the relative length of the holes, the curvature and roughness of the surface, the presence of thermal barrier coating and the blowing ratio factor of the film cooling hole. Increasing the efficiency of film cooling systems not only increases the blade service life but also reduces cooling air consumption from GTE compressor, which improves engine performance. A great deal of work has been done in the field of film cooling. In this review publication, we have considered mainly the most recent (2020-2025) articles related to film cooling systems for gas turbine blades. The purpose of this paper is to analyze current trends in film cooling: promising types of film cooling systems for blades, the impact of geometric and operating parameters on cooling efficiency, and the problems to be solved in the design and calculation of film cooling.