Разработка и исследование эффективности работы биротативных малорасходных турбин с вращающимся сопловым аппаратом

Введение (постановка задачи и актуальность). Для дальнейшего развития малорасходных турбин (МРТ), используемых, в частности, в летательных аппаратах (ЛА), требуется повышение их эффективности и удельной мощности. В настоящей работе представлены результаты экспериментальных исследований конструкций МРТ, известных как биротативные, с вращающимся сопловым аппаратом (ВСА). Главным преимуществом указанных турбин является обеспечение компактности и высокой эффективности соответствующих энергетических установок.

 Цель исследований – выбор новых перспективных конструктивных схем МРТ с противоположным вращением каскадов и получение характеристик таких турбин на разных режимах работы.

 Методология и методы. Разработка моделей биротативных турбин (БИТ) и соответствующих экспериментальных установок; разработка алгоритма проведения экспериментальных исследований; создание методик измерений и обработки опытных данных.

 Результаты и научная новизна. В статье рассмотрены принципиально новые конструктивные схемы МРТ – БИТ с ВСА, созданных на основе ступеней турбины конструкции Ленинградского политехнического института (ЛПИ), предназначенных для турбин небольшой мощности и малого расхода рабочего тела. Для проведения экспериментальных исследований БИТ были разработаны методики и алгоритм обработки экспериментальных данных. По результатам исследований были выработаны рекомендации, позволившие усовершенствовать конструкцию и повысить экономичность БИТ.

 Практическая значимость. По полученным данным были сделаны выводы о перспективе развития БИТ для ЛА с точки зрения внутреннего КПД и массогабаритных параметров.

1. Осипов И.В., Ремчуков С.С. Малоразмерный газотурбинный двигатель со свободной турбиной и теплообменником системы регенерации тепла в классе мощности 200 л.с. // Вестник Московского авиационного института. – 2019. – T. 26. – № 2. – C. 81–90. EDN: BUPKSF.

2. Забелин Н.А., Раков Г.Л., Себелев А.А., Смирнов М.В., Куклина Н.И. История создания и совершенствования малорасходных турбин // Mеждународный научно-исследовательский журнал. – 2014. – № 5-1 (24). – C. 106–113. EDN: SERUGT.

3. Mohite A.S. Analysis of flow through vaneless contra-rotating turbine of jet propulsion engine // International Journal on Recent and Innovation Trends in Computing and Communication. – 2018. – V. 6. – No. 5. – P. 37–43.

4. Лапшин К.Л. Оптимизация проточных частей паровых и газовых турбин. – СПб.: Политех-Пресс, 2020. – 213 с.

5. Fei T., Xiaolu Z., Jianzhong X. The application of counter-rotating turbine in rocket turbopump // Hindawi Publishing Corporation International Journal of Rotating Machinery. – 2007. – P. 1–7. DOI: 10.1155/2008/426023.

6. Burgett L.M., Takahashi T.T. Comparison of vaneless counter-rotating power extraction engines for UAV propulsion // AIAA AVIATION Forum. – 2019. – P. 1–14. DOI: 10.2514/6.2019-3016.

7. Jia L., Chen Y., Gao Y. Modelling and performance analysis of vaneless counter rotating turbine in gas turbine engines / 23rd International Symposium on Air Breathing Engines: Economy, Efficiency and Environment. – 2017. – P. 1–17. DOI: 10.1115/IMECE2018-86146.

8. Чехранов С.В. Малорасходные турбины безвентиляционного типа: основы построения, математические модели, характеристики и обобщения: дис... д-ра техн. наук: 05.04.12. – [Б.м.], 1999. – 279 с.

9. Чехранов С.В. Влияние вращающегося соплового аппарата на характеристики осевых малорасходных турбин // Морские интеллектуальные технологии. – 2021. – № 4-1 (54). – C. 86–89. DOI: 10.37220/MIT.2021.54.4.036. EDN: KFDDJU.

10. Фролов К.В., Рассохин В.А., Хоменок Л.А. и др. Расчёт и конструирование машин. Энциклопедия. – М.: Машиностроение, 2015. – 1029 с.

11. Овсянников Б.В., Боровский Б.И. Теория и расчёт агрегатов питания ЖРД. – М.: Машиностроение, 1986. – 376 с.

12. Беседин С.Н., Рассохин В.А., Раков Г.Л., Фокин Т.А. Экспериментальный стенд и методика исследования турбомашин газотурбинных установок малой мощности // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – 2010. – T. 12. – № 1-2. – C. 284–289. EDN: NDXTHJ.

13. Барсков В.В., Рассохин В.А., Беседин С.Н., Тулубенский Е.В. Разработка методики испытаний малорасходных проточных частей турбины и компрессора // Вестник Брянского государственного технического университета. – 2016. – № 1 (49). – C. 9–15. DOI: 10.12737/18170. EDN: WBKUFV.

14. Иванович К.С. Метрология обработки результатов измерений. – СПб.: Изд-во СПбПУ, 2017. – 57 с.

15. Быков Н.Н., Емин О.Н. Выбор параметров и расчёт маломощных турбин для привода агрегатов. – М.: Машиностроение, 1972. – 228 с.

16. Rajeevalochanam P., Sunkara S.N.A., Murthy S.V.R., Kumaran R.S. Design of a two spool contrarotating turbine for a turbo-fan engine // Propulsion and Power Research. – 2020. – No. 9 (3). – P. 225–239. DOI: 10.1016/j.jppr.2020.08.001.