Разработка системы диагностирования повреждений турбинных лопаток и способа оптимизации теплоотвода в условиях термической усталости

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-79-10114

НазваниеРазработка системы диагностирования повреждений турбинных лопаток и способа оптимизации теплоотвода в условиях термической усталости

Руководитель Андрианов Иван Константинович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Комсомольский-на-Амуре государственный университет" , Хабаровский край

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-603 - Надежность и отказоустойчивость технических систем. Диагностика технического состояния и испытания

Ключевые слова теплообмен, турбинная лопатка, газовая турбина, охлаждение, массовый расход, трещина, термическая усталость, оптимизация

Код ГРНТИ55.42.47

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Работа посвящена решению проблемы улучшения безопасности авиационных полетов путем повышения надежности авиационных двигателей. Наиболее нагруженными элементами авиационных двигателей являются лопатки газовых турбин. Они работают при высоких нагрузках и повышенных температурах. В этих сложных условиях возможны обрывы лопаток газовых турбин и, как следствие, аварии всего авиационного двигателя. Обрыв лопаток не происходит мгновенно, а происходит вследствие образования и развития трещин в материалах лопаток, которые возникают из микротрещин, развиваются и растут. Предлагаемый способ заключается в том, что в теле лопаток помещены капсулы с активным веществом. При возникновении и росте трещины в теле лопатки капсулы разрушаются в этом месте, и активное вещество поступает в проточную часть турбины, где регистрируется. Систему регистрации предлагается строить на основании свойства ионизации некоторых веществ при повышенных температурах: при попадании активного вещества на систему регистрации в проточной части турбины отмечается скачек тока. При появлении соответствующего сигнала летчик сможет завершить полет без аварии двигателя. Основными задачами работы являются разработка конструкции стенда, выбор активного материала, отработка систем регистрации сигналов поступающего активного вещества в проточную часть. После чего разработанная технология может быть представлена в промышленность. Научная значимость и актуальность исследования обусловлены возможностью применения системы обнаружения микротрещин в рабочем режиме в условиях полета. Несмотря на то, что сегодня достаточно много способов диагностирования повреждений в стационарных условиях, не всегда микротрещины могут быть определены непосредство перед полетом. В тоже время работа в высоконагруженных условиях может привести к активному росту повреждения. Для исключения аварийной ситуации, связанной с отрывом и возможными катастрофическими последствиями, предлагается разработать систему диагностирования трещин и методы эффективного теплоотведения для исключения развития термоусталостных трещин. Актуальность темы исследования обусловлена широким развитием методов управления параметрами теплопереноса во внутренних системах охлаждения оболочечных элементов турбомашин ввиду постоянного повышения рабочих температур нагревающих газовых потоков и предъявления более высоких требований к тепловому состоянию элементов. Особенностью этих элементов является то, что они находятся в условиях неравномерного теплового и силового воздействия. Весьма важными на сегодняшний день являются вопросы минимизации расхода охладителя, снижения нецелесообразных затрат на охлаждение менее нагруженных участков элементов, а также повышение эффективности и экономичности работы систем теплоотвода в турбинных лопатках при ограничениях на развитие термоусталостных повреждений в результате переменных режимов нагрева и охлаждения. Научная значимость проекта обусловлена исследованием математической стороны задачи оптимального теплоотвода, что связано с построением математических моделей процессов теплопереноса, учитывающих специфические особенности систем подвода и отвода теплоты. Все чаще решения прикладных проблем требуют использования комплексного подхода, ориентированного на методы математического теплового моделирования, теории прочности, газодинамики. Соответственно, управление тепловым состоянием элементов путем изменения геометрических характеристик каналов теплоотвода на основании прочностных условий с целью повышения эффективности охлаждения является весьма перспективным направлением. Таким образом, в связи с модернизацией систем охлаждения оболочечных элементов турбомашин актуальной является разработка математических моделей течения теплообменного процесса и методов их расчета, позволяющих оптимизировать параметры работы систем теплоотвода.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
По результатам проведенного исследования разработана модель расположения цилиндрических капсул, неортогональных оси вращения лопатки, для системы диагностирования повреждений с учетом переменного сечения и закрутки пера турбинной лопатки. Построена модель развития усталостной трещины в теле турбинной лопатки. Проведены серии натурных экспериментов по тестированию системы обнаружения трещин с использованием сеточных электродов. Проведен сравнительный анализ скачка силы тока при использовании электродов различной конфигурации, подтверждена эффективность сеточных электродов в сравнении с плоскими при использовании в системе регистрации повреждений. Получено численное решение оптимизационной теплообменной задачи и для снижения температурной неравномерности турбинной лопатки. Разработан алгоритм для расчета криволинейных траекторий каналов охлаждения, их геометрических параметров с целью повышения эффективности охлаждения.

Публикации

1. Андрианов И.К., Чепурнова Е.К. Model for Calculating Stress Intensity Factors for an Inclined Crack at the Leading Edge of a Gas Turbine Engine Blade Under the Influence of Centrifugal Forces INTERNATIONAL JOURNAL OF MECHANICS, Vol. 18. – P. 9-16. – DOI 10.46300/9104.2024.18.2. – EDN SHFUQW. (год публикации - 2024)
10.46300/9104.2024.18.2

2. Андрианов И.К., Феоктистов С.И. INVERSE PROBLEM OF ELASTIC-PLASTIC DEFORMATION OF A FREE THICK-WALLED CYLINDRICAL SHELL TAKING INTO ACCOUNT THE NONLINEAR LAW OF HARDENING | | ОБРАТНАЯ ЗАДАЧА УПРУГОПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ СВОБОДНОЙ ТОЛСТОСТЕННОЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ С УЧЕТОМ НЕЛИНЕЙНОГО ЗАКОНА УПРОЧНЕНИЯ Problems of Strength and Plasticity | Проблемы прочности и пластичности, Problems of Strength and Plasticity | Проблемы прочности и пластичности, 2024, N 86(3), с. 259-269 (год публикации - 2024)
10.32326/1814-9146-2024-86-3-259-269

3. Андрианов И.К., Новгородов Н.А., Чепурнова Е.К. РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ РАСПОЛОЖЕНИЯ НАКЛОННЫХ ПОЛОСТЕЙ ДЛЯ СИСТЕМЫ РЕГИСТРАЦИИ ТРЕЩИН В ЛОПАТКЕ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ КОНТРОЛЬ. ДИАГНОСТИКА (год публикации - 2025)

4. Андрианов И.К., Чепурнова Е.К. МОДЕЛИРОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО ТЕПЛООТВОДА В СИСТЕМЕ ОХЛАЖДЕНИЯ ОБОЛОЧЕЧНЫХ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ НА ОСНОВАНИИ КРИТЕРИЯ ДЛИТЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ Инженерно-физический журнал (Journal of Engineering Physics and Thermophysics) (год публикации - 2025)

5. Андрианов И.К., Чепурнова Е.К. ЭФФЕКТИВНОЕ СНИЖЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ НЕРАВНОМЕРНОСТИ В ОБОЛОЧЕЧНЫХ ЛОПАТКАХ ТУРБИН Вестник Государственного университета просвещения. Серия: Физика-Математика. (год публикации - 2025)

6. Андрианов И.К., Буренин А.А., Феоктистов С.И., Чепурнова Е.К. К ПОСТАНОВКЕ ЗАДАЧИ ОБ ОПТИМИЗАЦИИ ТЕПЛООТВОДА В СИСТЕМЕ ОХЛАЖДЕНИЯ ТУРБИННЫХ ЛОПАТОК ДЕФЛЕКТОРНОГО ТИПА В УСЛОВИЯХ ТЕРМИЧЕСКОЙ УСТАЛОСТИ МОЛОДЁЖЬ И НАУКА: АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПРИКЛАДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ. Материалы VIII Всероссийской национальной научной конференции молодых учёных, Комсомольск-на-Амуре, ФГБОУ ВО КнАГУ, 2025 г. (год публикации - 2025)

7. Андрианов И.К., Гринкруг М.С., Кара Балли М., Новгородов Н.А. Diagnostic System for Cracks in Gas Turbine Blades: Influence of the Gas Flow Velocity on the Signal Russian Engineering Research (Вестник машиностроения), Andrianov, I.K., Grinkrug, M.S., Balli, M.K. et al. Diagnostic System for Cracks in Gas Turbine Blades: Influence of the Gas Flow Velocity on the Signal. Russ. Engin. Res. 44, 1416–1418 (2024). https://doi.org/10.3103/S1068798X24702435 [Влияние скорости потока газа на уровень сигнала в системе диагностирования трещин лопаток газотурбинных двигателей / И. К. Андрианов, М. С. Гринкруг, Б. М. Кара, Н. А. Новгородов // Вестник машиностроения. – 2024. – Т. 103, № 8. – С. 657-659. – DOI 10.36652/0042-4633-2024-103-8-657-659. – EDN HVFLHA.] (год публикации - 2024)
10.3103/S1068798X24702435

8. Гринкруг М.С., Андрианов И.К., Кара Балли М., Ткачева Ю.И. Система регистрации трещин в лопатках газотурбинного двигателя с применением ионизирующего вещества в нестационарных условиях КОНТРОЛЬ. ДИАГНОСТИКА, Система регистрации трещин в лопатках газотурбинного двигателя с применением ионизирующего вещества в нестационарных условиях / М. С. Гринкруг, И. К. Андрианов, Б. М. Кара, Ю. И. Ткачева // Контроль. Диагностика. – 2024. – Т. 27, № 10(316). – С. 59-64. – DOI 10.14489/td.2024.10.pp.059-064 (год публикации - 2024)
10.14489/td.2024.10.pp.059-064

9. Фролов Д.О., Андрианов И.К. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАИБОЛЕЕ ТЕРМОНАГРУЖЕННОЙ ОБЛАСТИ НА ПОВЕРХНОСТИ ЛОПАТКИ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НЕЙРОННОЙ СЕТИ Ученые записки Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета (год публикации - 2025)

10. Чепурнова Е.К., Солецкий В.В., Чернышова Д.В. Конечно-элементное моделирование теплопереноса в дефлекторной системе охлаждения лопатки газотурбинного двигателя Машиностроение: инновационные аспекты развития: Материалы международной научно-практической конференции. – Санкт-Петербург: НИЦ МС, 2025, Чепурнова Е.К., Солецкий В.В., Чернышова Д.В. Конечно-элементное моделирование теплопереноса в дефлекторной системе охлаждения лопатки газотурбинного двигателя // Машиностроение: инновационные аспекты развития: Материалы международной научно-практической конференции. – Санкт-Петербург: НИЦ МС, 2025. – № 8. – 67-69 с. (год публикации - 2025)

11. Андрианов И.К., Кара Балли М., Чепурнова Е.К. Применение плоских и сеточных электродов в системе регистрации трещин лопаток газотурбинного двигателя Вестник машиностроения (Russian Engineering Research), Андрианов, И. К. Применение плоских и сеточных электродов в системе регистрации трещин лопаток газотурбинного двигателя / И. К. Андрианов, Б. М. Кара, Е. К. Чепурнова // Вестник машиностроения. – 2025. – Т. 104, № 3. – С. 204-208. – DOI 10.36652/0042-4633-2025-104-3-204-208. – EDN MYSETD. (год публикации - 2025)
10.36652/0042-4633-2025-104-3-204-208

12. Андрианов И.К., Чепурнова Е.К. КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОПЕРЕНОСА В ТУРБИННОЙ ЛОПАТКЕ С ПРОДОЛЬНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ НАУКА, ИННОВАЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ: ОТ ИДЕЙ К ВНЕДРЕНИЮ. Материалы III Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых. Часть 1., Чепурнова, Е. К. Конечно-элементное моделирование теплопереноса в турбинной лопатке с продольным охлаждением / Е. К. Чепурнова, И. К. Андрианов // Наука, инновации и технологии: от идей к внедрению : Материалы III Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, Комсомольск-на-Амуре, 11–12 декабря 2024 года. – Комсомольск-на-Амуре: Комсомольский-на-Амуре государственный университет, 2025. – С. 382-384. – EDN OQUSLW. (год публикации - 2024)