Основные принципы создания высокотемпературных газотурбинных установок на базе разработанной конструкционной керамики: Методология и опыт создания деталей и узлов ГТУ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.12, доктор технических наук Тихоплав, Виталий Юрьевич

• Тихоплав, Виталий Юрьевич
• доктор технических наук
• 2001

Оглавление диссертации доктор технических наук Тихоплав, Виталий Юрьевич

Основные обозначения и сокращения

Введение

ГЛАВА 1. РАЗРАБОТКА ОСНОВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ И ПРИНЦИПОВ СОЗДАНИЯ ГТУ С ПРИМЕНЕНИЕМ КОНСТРУКЦИОННОЙ КЕРАМИКИ.

1.1. Проблемы первостепенной важности.

1.2. О проблемах, ожидающих своего решения . .гб

1.3. Применение конструкционной керамики в высокотемпературном тракте ГТД - ключ к решению проблемы эмиссии парниковых газов.2.

1.4. Принципиальные особенности металлокерамического ГТД мощностью 2,5 МВт с блочным газогенератором.2-У

1.5. Свойства керамического материала и оценка результатов испытаний керамических высокотемпературных деталей ГТД.3.

1.6. Об основных принципах создания высокотемпературных керамических ГТД.

1.7. Выводы.

ГЛАВА 2. ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА КВАЗИАДИАБАТНОЙ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ.

2.1. Оболочковые лопатки «Флокс» газовой турбины.

1.0 степени адиабатности ВГТ.Ь®

2. О двух функциях лопаточного аппарата охлаждаемой газовой турбины.

3. О принципе вольфрамовой нити.

4. О турбинных оболочковых лопатках «Флокс».

2.2. Принцип спонтанного охлаждения.

1. Принцип уравнивания температур.

2. О предельной начальной температуре газа Тзщ,.

3. Структура аналога оболочковой лопатки «Флокс»

АЛОГЛАВЛЕНИЕ-дис.аос

2.3. Особенности аэродинамики высокотемпературной квазиадиабатной газовой турбины.

1. Вязкость и сжимаемость высокотемпературного потока газа.

2.4. Выводы

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РЕГЕНЕРАТИВНЫХ ЦИКЛОВ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ГТУ.

3.1. Цель и задачи исследования.^

3.2. Разработка и исследование обобщенного регенеративного цикла ГТУ.У

3.3. Оптимизация параметров и структуры обобщенного регенеративного цикла ГТУ.

1. Объект моделирования.

2. Задача оптимизации и ее решение.

3. Модификации оптимальной структуры ГТУ

3.4. Идеальные циклы ГТУ с регенерацией и их теоретический анализ.&&

3.5. Промежуточная регенерация - средство улучшения массогабарйтных характеристик регенератора.

3.6. О научно-техническом прогнозировании срока окупаемости регенератора высокотемпературной ГТУ

3.7. Выводы ./.9.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ЦИКЛОВ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ГАЗОПАРОВЫХ УСТАНОВОК С РЕГЕНЕРАТОРОМ.1.

4.1. Цели и задачи исследования.

4.2. Комбинированная ГПУ и системный подход.

4.3. ЬСПД паровой части ГПУ.//

4.4. Оценка уровня температуры отходящих из ГТУ газов

4.5. Потери работоспособности в цикле нижней ступени * бинарной ГПУ.'

АЛОГЛАВЛЕНИЕ-дис.йос

4.6. Обсуждение результатов расчетного исследования

4.7. Изотермическое расширение газа в верхней ступени ГПУ

4.8. Выводы.

ГЛАВА 5. ВЫБОР СТРУКТУРЫ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ С КЕРАМИЧЕСКИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

5.1. Задача выбора структуры ГТУ. .ш

5.2. Использование керамики для деталей и узлов высокотемпературных ГТУ.

5.3. Принцип многопоточности и каскадно-модульности . .tJ/fO

5.4. Структурная надежность многопоточных каскадномодульных ГТУ.

5.5. Принцип создания высокотемпературных ГТУ из набора керамических элементов.

5.6. Материаловедческие аспекты создания керамических ГТУ j$fr

5.7. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Основные принципы создания высокотемпературных газотурбинных установок на базе разработанной конструкционной керамики: Методология и опыт создания деталей и узлов ГТУ»

Кардинальным направлением развития газотурбостроения является создание современных и разработка перспективных газотурбинных установок различного назначения с оптимальными технико-экономическими характеристиками, отвечающими достигнутому уровню развития науки, техники и экономики.

Основные направления развития ГТУ. Теоретический анализ и обобщение опыта мирового газотурбостроения показали, что оптимальные технико-экономические характеристики могут быть достигнуты путем совместной реализации четырех основных направлений развития газотурбинных установок:

- неуклонное увеличение тепловой экономичности и удельной мощности, снижение массо-габаритных показателей ГТУ;

- обеспечение гарантированной надежности ГТУ в пределах заданного срока службы;

- обеспечение гарантированных экологических показателей ГТУ в пределах заданных норм;

- неуклонное повышение рентабельности ГТУ, гарантирующей конкурентоспособность на мировом рынке.

Постановка задачи совместной реализации основных направлений развития ГТУ на базе конструкционной керамики. Теория ГТУ и опыт свидетельствуют, что основными средствами увеличения тепловой экономичности, характеризуемой эффективным КПД Т|е являются:

- повышение начальной температуры газа Тз;

- усложнение термодинамического цикла путем использования ступенчатого или непрерывного изотермического охлаждения воздуха при его сжатии, концевой и/или промежуточной регенерации теплоты, ступенчатого или непрерывного изотермического подогрева газа при его расширении, утилизации теплоты выпускаемых газов;

- максимально возможное уменьшение всех потерь энергии в ГТУ, в том числе интенсивно возрастающих при увеличении температуры Т3 потерь энергии от охлаждения высокотемпературных элементов газотурбинной установки - камер сгорания, газовых турбин, газопроводов и др.;

- оптимизация всех параметров ГТУ.

Практически теми же средствами достигается увеличение удельной мощности ГТУ КеЛЗ кВт/(кг/с).

Увеличение КПД и удельной мощности приводит к уменьшению расходов топлива и рабочего тела (воздуха, газа), что, в свою очередь, влечет за собой уменьшение вредных выбросов в атмосферу оксидов углерода - угарного СО и углекислого СОг газов, оксидов азота Ж)х и других компонентов и обеспечивает улучшение экологических показателей газотурбинных установок.

Сегодня проблема значительного улучшения экологических показателей теплоэнергетических установок, в том числе ГТУ, актуальна, как никогда. Это обусловлено весьма тревожными сведениями, опубликованными ООН и «Гринпис»: экологическая обстановка на Земле близка к критической и продолжает ухудшаться.

Повышение температуры Тз в ГТУ достигается путем решения двух сложных проблем, являющихся в газотурбостроении ключевыми. Первая -разработка и получение новых конструкционных жаропрочных жаростойких материалов и создание на их базе надежных высокотемпературных деталей и узлов ГТУ. Вторая - разработка и реализация новых способов и систем эффективного охлаждения этих деталей и узлов.

Теоретические и расчетные исследования показали, что при увеличении начальной температуры газа Тз и оптимальной степени повышения давления в компрессоре тГкг^ЯклСТз) зависимость КПД цикла ГТУ т]е от температуры Тз протекает по-разному у двух различных газотурбинных установок, одна из которых имеет неохлаждаемую (адиабатную) турбину, а другая - охлаждаемую. У первой ГТУ зависимость Ле=Ле(Тз) монотонно возрастает, а у второй - имеет максимум при некотором предельном значении ТЗПр.

Это объясняется тем, что повышение КПД, т.е. положительное приращение Дг|е(Тз)>0, обусловленное увеличением начальной температуры газа Тз и соответствующей оптимальной величины тгКТ1, при достижении температуры Тзпр полностью компенсируется снижением КПД, то есть отрицательным приращением Аг|е(АЬоХл)<0, обусловленным потерями энергии от охлаждения Д11охл.

Исследования показали, что использование в высокотемпературной металлической газовой турбине широко применяемого во всех современных ГТУ простого и надежного открытого воздушного охлаждения сопряжено с возникновением предела Тзпр, расчетное значение которого для стационарных установок ориентировочно составляет 1250-1350°С. Такое низкое значение предела Т3пр серьезно препятствует реализации первого из основных направлений развития ГТУ, осуществляемого путем повышения начальной температуры газа Т3.

Теоретические и расчетные исследования, выполненные в НИЦ «КТД», показали, что повысить Тзпр можно путем значительного снижения потерь энергии от охлаждения газовой турбины.

В настоящее время удовлетворительными решениями задачи некоторого повышения предела Тзпр, но не устраняющими этот предел полностью, могут служить известные квазииспарительное и паровое охлаждения высокотемпературных газовых турбин, а также применение в качестве жаропрочных жаростойких материалов металлических сплавов с монокристаллической структурой. Однако особенно эффективным решением вышеуказанной задачи является использование конструкционной керамики, в принципе не требующей охлаждения. Кроме того, она обладает исключительными свойствами жаропрочности, эрозионной и коррозионной стойкостью, существенно меньшей (приблизительно в два раза) плотностью по сравнению с плотностью жаропрочных металлических сплавов, а в перспективе - недефицитностью и низкой стоимостью.

Указанные свойства конструкционной керамики обусловили целесообразность ее использования в газотурбостроении в качестве перспективного базового жаропрочного жаростойкого материала (вместо охлаждаемых жаропрочных сплавов на металлической основе или совместно с ними), обеспечивающего реализацию всех рассмотренных выше основных направлений развития газотурбинных установок.

Однако, как выяснилось, создание надежных высокотемпературных газовых турбин на основе использования конструкционных керамических и композиционных материалов (ККМ) оказалось весьма сложной проблемой. Не будет преувеличением сказать, что над решением этой проблемы уже более тридцати пяти лет интенсивно работают специалисты практически всех промыпшенно развитых стран, в том числе и России. Главный источник трудностей решения проблемы - негативные свойства конструкционной керамики, прежде всего ее высокая хрупкость, низкая ударная прочность, сверхчувствительность к концентраторам напряжений, к масштабному фактору, то есть к абсолютным размерам керамических деталей, к температурным градиентам и к циклическим напряжениям, а также низкая прочность на растяжение и изгиб и др.

Состояние вопроса. К началу 1990 года многие зарубежные фирмы Японии, США, Германии и других стран, в том числе и СССР, уже имели более чем двадцатилетний опыт работы по созданию ККМ и по разработке на их основе керамических поршневых и газотурбинных двигателей. К этому времени за рубежом уже были разработаны более сотни ККМ для длительной работы в условиях высоких температур. Это конструкционная керамика, созданная на базе нитрида кремния, карбида кремния и окислов металлов, которая обладает уникальным сочетанием свойств для возможности изготовления высокотемпературных деталей ГТУ. Однако обнадеживающие практические результаты, связанные с опытной эксплуатацией головных образцов керамических ГТД (фирмы Solar, Kawasaki) появились лишь в самое последнее время (1998-1999гг.).

Анализ показал, что главные причины неудач на пути создания надежных керамических газотурбинных двигателей (КГТД) обусловлены прежде всего тремя основными факторами:

- практически полным копированием известных металлических конструкций деталей ГТД;

- разобщенностью (дезинтеграцией) конструкторов, технологов и материаловедов, разрабатывающих и создающих материалы, детали и узлы будущих КГТД;

- недостаточной технологичностью практически всех известных на 1990 год видов ККМ, которая обусловлена прежде всего значительной (до 10-18%) усадкой керамических деталей и необходимостью в связи с этим выполнять дорогостоящие и трудоемкие финишные операции по обработке керамических деталей алмазным инструментом, а также отсутствием методов диффузионного равнопрочного соединения деталей, изготовленных из конструкционной керамики.

Исследования и опыт, полученный в НИЦ «КТД» НИТИ ЭМ, показали, что успешное использование в газотурбостроении конструкционной керамики принципиально возможно только при условии достаточной нейтрализации комплекса негативных свойств ККМ, указанных выше.

Для выполнения этого условия потребовалось разработать, обосновать и практически реализовать основные принципы создания собственно термопрочной термостойкой и технологичной конструкционной керамики нового типа и основные принципы создания всех керамических деталей, узлов и газотурбинного двигателя в целом.

Интеграция разработанных принципов представляет собой концепцию, которая обеспечила совместную реализацию вышеуказанных основных направлений развития ГТУ на базе конструкционной керамики.

О создании первого в России металлокерамического газотурбинного двигателя. В НИЦ «КТД» НИТИ ЭМ, начиная с 1991 года, в соответствии с заданием ОАО «ГАЗПРОМ» создается низкотоксичный высокоэффективный керамический ГТД мощностью 2,5 МВт в одном блоке (КГТД-2,5) с эффективным КПД в пределах от 42 до 45%.

Использование аргументированных принципов и опытно-теоретических методов позволило создать новый безусадочный, хорошо соединяемый («свариваемый») диффузионным способом керамический материал - алюмоборонитридную керамику "8и{ЖАУ" и ее более совершенные модификации "ЗиОЫАУ-М" с рабочей температурой до 1500-1600°С.

Как показал опыт НИЦ «КТД», АБНК "ЭШПАУ" и "БШКАУ-М" успешно применена при создании всех высокотемпературных деталей и узлов керамического газотурбинного двигателя КГТД-2,5.

Необходимо отметить, что первый опыт в области высокотемпературных керамических ГТД на базе АБНК "81ЮКАУ" НИЦ «КТД» получил благодаря выполнению контрактов, заключенных с заказчиками из Франции через аэрокосмическую фирму ОКЕЯА. Начало выполнения этих контрактов положено в 1993г. Завершением их первого этапа стало создание для авиационной промышленности Франции высокотемпературной металлокерамической осевой газовой турбины с рабочей температурой газа 1350°С и кольцевой камеры сгорания с керамической жаровой трубой.

Есть все основания ожидать, что использование в отечественном газотурбостроении уже созданной и освоенной АБНК, а в будущем -других, более совершенных ККМ, выведет его на достаточно высокий технический уровень. Однако для достижения этого необходимо уже сейчас решить комплекс сложных научно-технических, конструкторских, технологических, материаловедческих и других проблемных задач. Решение задач такого рода, обеспечившее создание в отечественном газотурбостроении всех деталей и узлов первого в России керамического газотурбинного двигателя КГТД-2,5, стало возможным благодаря разработке и обоснованию в настоящей диссертации основных принципов и ряда теоретических положений, которые легли в основание совместной реализации основных направлений развития газотурбинных установок на базе конструкционной керамики. Эта реализация конкретно представлена созданными в НИЦ «КТД» керамической турбиной для заказчиков из Франции, всеми деталями и узлами для керамического газотурбинного двигателя КГТД-2,5 и демонстрационным образцом блока высокого давления КГТД-2,5.

Цель диссертации - определить и обосновать основные принципы создания высокотемпературных газотурбинных установок на базе конструкционной керамики, положив в основание этих принципов новые конструкторские, материаловедческие и теоретические разработки, обеспечившие решение всех возникших проблем, и опыт создания керамических деталей и узлов ГТУ.

Для достижения этой цели были:

1. Изучены и проанализированы существующие проблемы в керамическом газотурбостроении; определены и сформулированы основные направления развития ГТУ; поставлена и успешно решена задача совместной реализации основных направлений развития ГТУ на базе принципиально новой алюмоборонитридной керамики и основных принципов создания высокотемпературных керамических газотурбинных установок.

2. Определены и обоснованы семь основных принципов создания на базе конструкционной керамики деталей, узлов и ГТУ в целом (введение, главы 1-5, приложения П.6 и П.7):

- принцип многопоточности и каскадно-модульности (МКМ-принцип), обеспечивающий минимизацию габаритных размеров всех элементов ГТУ - турбомашин и теплообменных аппаратов, керамических

13 деталей и узлов - и обусловливающий надежность керамической газотурбинной установки благодаря устранению негативного влияния масштабного фактора на надежность керамических деталей и узлов (глава

5);

- принцип конструирования керамических деталей ГТУ из набора малоразмерных элементов, интегрированных в металлокерамические конструкции. Принцип обеспечивает надежность керамической газотурбинной установки (глава 5);

- принцип квазиадиабатности, обеспечивающий минимизацию потерь энергии от охлаждения металлических несущих (силовых) элементов в метагшокерамических конструкциях (глава 2);

- принцип структурно-параметрической оптимизации наддува газового тракта регенератора, обеспечивающий достижение максимального КПД ГТУ с промежуточной регенерацией (глава 3);

- принцип оптимальной интеграции регенерации и утилизации теплоты - (ИРУТ-принцип), обеспечивающий повышение КПД комбинированной высокотемпературной газопаровой установки с котлом-утилизатором при минимальных параметрах водяного пара (глава 4);

- принцип квазипотенциальности, обеспечивающий коррекцию (исправление с целью уточнения) математической модели двухмерной теории турбомашин на основе интеграции математической модели базового потенциального и реального вихревого течений газа в лопаточном аппарате высокотемпературной газовой турбины (приложение П.6);

- принцип шагового прогона фронтона работ в динамической модели сетевого планирования и управления турбостроительным производством, увеличивающий эффективность производства (приложение П.7).

Автором совместно с А.В.Сударевым, В.В.Гришаевым, А.А.Сурьяниновым, В.Я.Подгорцем сформулированы: принцип создания деталей и узлов ГТУ, керамические элементы которых работают преимущественно на сжатие; принцип создания технологичной конструкционной керамики, которая, во-первых, является безусадочной и не требует использования на финишных операциях алмазного инструмента и, во-вторых, может равнопрочно соединяться («свариваться») диффузионным способом.

3. Разработаны, созданы и испытаны: квазиадиабатные направляющие и рабочие лопатки высокотемпературных газовых турбин с использованием эффективных способов «перекрытия» теплового потока от газа к охладителю; метод расчета теплопередачи в квазиадиабатных системах ГТУ (глава 2).

44. Выполнено расчетно-теоретическое исследование нового обобщенного термодинамического цикла ГТУ со «скользящим» давлением газа в промежуточном регенераторе (глава 3).

5. Разработан и реализован метод научно-технического прогнозирования с применением математической модели Флойда (глава 3).

6. Выполнено расчетно-теоретическое исследование термодинамического цикла высокотемпературной комбинированной газопаровой установки с промежуточным и концевым регенератором в верхней ступени и низкими параметрами водяного пара в нижней ступени (глава 4);

7. Разработан и реализован метод расчета структурной надежности многопоточных каскадно-модульных ГТУ (глава 5).

8. Разработаны, созданы и успешно испытаны металлокерамические конструкции деталей и узлов всех высокотемпературных элементов газогенератора КГТД-2,5 (приложение П. 1 - П.5).

9. На основании принципа квазипотенциальности разработаны новые элементы двухмерной теории турбомашин с использованием уравнения Лапласа А\|/=0 и уравнения с заданной завихренностью А\\1=¥0¥), где А -двухмерный оператор Лапласа; \|/ - функция тока двухмерного движения жидкости и газа; Р(\|/) - заданная завихренность. Разработанная математическая модель предназначена для учета влияний повышенной динамической вязкости и пониженной скорости звука высокотемпературного потока газа в керамических газовых турбинах (приложение П.6).

10. Разработана динамическая модель сетевого планирования и управления турбостроительным производством, предназначенная для широкого использования имитационного моделирования процессами управления производством с целью его усовершенствования (приложение П.7).

Краткое содержание глав диссертации и приложения

Заключение диссертации по теме «Турбомашины и комбинированные турбоустановки», Тихоплав, Виталий Юрьевич

5.7. ВЫВОДЫ

1. На основе анализа влияния масштабного фактора на важнейшие характеристики конструкций из керамических материалов обоснован и сформулирован принцип минимизации размеров высокотемпературных керамических деталей ГТУ. Конкретным воплощением этого принципа в газотурбостроение стал принцип многопоточности и каскадно-модульности (МКМ-принцип), обеспечивающий надежность керамической газотурбинной установки.

2. Проведен качественный и количественный анализ принципиально новых схем ГТУ, сформированных на основе многопоточности и каскадно-модульности. Обоснована рациональная структура керамических ГТУ.

3. Поставлена и решена задача анализа и обеспечения структурной надежности принципиально новых схем ГТУ.

4. Обоснован и сформулирован принцип создания высокотемпературных ГТУ из набора малоразмерных керамических элементов, который развивает и дополняет принцип многопоточности и каскадно-модульности. В приложениях П.1-П.4 проиллюстрированы примеры высокотемпературных деталей и узлов ГТУ, созданных в НИТИ ЭМ на базе новой алюмоборонитридной керамики «СУГРАВ» с использованием новых принципов.

5. Рассмотрены материаловедческие аспекты создания керамических ГТУ с иллюстрацией разнообразных свойств алюмоборонитридной керамики «СУГРАВ», разработанной в НИТИ ЭМ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация посвящена одному из путей решения крупной проблемы - созданию в НИЦ «КТД» по заказу ОАО «ГАЗПРОМ» первого в России низкотоксичного высокоэффективного металлокерамического стационарного газотурбинного двигателя мощностью 2,5 МВт с блочным газогенератором КГТД-2,5. Эффективный КПД газотурбинного двигателя определен в пределах 42. .45%.

Основные научные и практические результаты

Для достижения цели диссертации, сформулированной во введении, в работе получены следующие основные научные и практические результаты:

1. Определено кардинальное направление развития газотурбостроения - создание современных и разработка перспективных газотурбинных установок различного назначения с оптимальными технико-экономическими характеристиками, отвечающими достигнутому уровню развития науки, техники и экономики. Это направление положено в основание концепции создания в Научно-инженерном центре «Керамические тепловые двигатели» (г.Санкт-Петербург) по заказу ОАО «ГАЗПРОМ» металлокерамического газотурбинного двигателя с блочным газогенератором КГТД-2,5.

2. Показано, что оптимальные технико-экономические характеристики ГТУ могут быть достигнуты путем совместной реализации четырех основных направлений:

- неуклонного увеличения тепловой экономичности и удельной мощности газотурбинной установки, снижения массо-габаритных показателей ГТУ;

- обеспечения гарантированной надежности ГТУ в пределах заданного срока службы;

- обеспечения гарантированных экологических показателей ГТУ в пределах заданных норм;

- неуклонного повышения рентабельности ГТУ, гарантирующей конкурентноспособность газотурбинной установки на мировом рынке.

3. Для обоснования основных направлений развития ГТУ на базе конструкционной керамики были:

3.1. Изучены и проанализированы существующие проблемы в керамическом газотурбостроении; определены и сформулированы основные направления развития ГТУ; поставлена и успешно решена задача совместной реализации основных направлений развития ГТУ на базе принципиально новой безусадочной и хорошо свариваемой алюмоборонитридной керамики, полученной в НИЦ «КТД», и основных

63 принципов создания высокотемпературных керамических газотурбинных установок.

3.2. Определены и обоснованы семь основных принципов создания на базе конструкционной керамики деталей, узлов и ГТУ в целом:

- принцип многоточности и каскадно-модульности (МКМ-принцип), обеспечивающий минимизацию габаритных размеров всех элементов ГТУ

- турбомашин и теплообменных аппаратов, керамических деталей и узлов

- и обусловливающий надежность керамической газотурбинной установки благодаря устранению негативного влияния масштабного фактора на надежность керамических деталей и узлов;

- принцип конструирования керамических деталей ГТУ из набора малоразмерных элементов, интегрированных в металлокерамические конструкции. Принцип обеспечивает надежность керамической газотурбинной установки;

- принцип квазиадиабатности, обеспечивающий минимизацию потерь энергии от охлаждения металлических несущих (силовых) элементов в металлокерамических конструкциях;

- принцип структурно-параметрической оптимизации наддува газового тракта регенератора, обеспечивающий достижение максимального КПД ГТУ с промежуточной регенерацией;

- принцип оптимальной интеграции регенерации и утилизации теплоты (ИРУТ-принцип), обеспечивающий повышение КПД комбинированной высокотемпературной газопаровой установки с котлом-утилизатором при минимальных параметрах водяного пара;

- принцип квазипотенциальности, обеспечивающий коррекцию (исправление с целью уточнения) математической модели двухмерной теории турбомашин на основе интеграции математических моделей базового потенциального и реального вихревого течений газа в лопаточном аппарате высокотемпературной газовой турбины;

- принцип шагового прогона фронта работ в динамической модели сетевого планирования и управления турбостроительным производством, увеличивающий эффективность производства.

3.3. Автором совместно с А.В.Сударевым, В.В.Гришаевым, А.А.Сурьяниновым, В.Я.Подгорцем сформулированы: принцип создания деталей и узлов ГТУ, керамические элементы которых работают преимущественно на сжатие; принцип создания технологичной конструкционной керамики, которая, во-первых, является безусадочной и не требует использования на финишных операциях алмазного инструмента и, во-вторых, может равнопрочно соединяться («свариваться») диффузионным способом.

3.4. Разработаны, созданы и испытаны:

ISO квазиадиабатные направляющие и рабочие лопатки «Флокс» высокотемпературных газовых турбин с использованием эффективных способов «перекрытия» теплового потока от газа к охладителю; метод расчета теплопередачи в квазиадиабатных системах ГТУ.

3.5. Выполнено расчетно-теоретическое исследование нового обобщенного термодинамического цикла ГТУ со «скользящим» давлением газа в высокотемпературном промежуточном регенераторе, созданном из керамики НИЦ «КТД».

3.6. Разработан и реализован метод научно-технического прогнозирования с применением математической модели Флойда.

3.7. Выполнено расчетно-теоретическое исследование термодинамического цикла высокотемпературной комбинированной газопаровой установки с промежуточным и концевым регенератором в верхней ступени и низкими параметрами водяного пара в нижней ступени. Показано, что включение в верхнюю ступень цикла ГПУ регенератора приводит к увеличению эффективного КПД ГПУ на 3,5-10% абсолютных. При этом высокотемпературный керамический регенератор, работающий при температуре газа на входе свыше 1000°С имеет опытные коэффициент

2 3 компактности от 515 до 720 м /м и удельную тепловую мощность до 6.6 кВт/кг, что соответствует расчетному прогнозу.

3.8. Разработан и реализован метод расчета структурной надежности многопоточных каскадно-модульных многоэлементных ГТУ. Показано, что при рациональном выборе структурной схемы ГТУ использование МКМ-принципа обеспечивает высокую надежность многоэлементной газотурбинной установки.

3.9. Разработаны, созданы и успешно испытаны металлокерамические конструкции . деталей и узлов всех высокотемпературных элементов газогенератора КГТД-2,5.

3.10. На основании принципа квазипотенциальности в приложении П.6 разработаны новые элементы двухмерной теории турбомашин с использованием уравнения Лапласа Aij/=0 и уравнения с заданной завихренностью A\|/=F(VF), где А - двухмерный оператор Лапласа; у -функция тока двухмерного движения жидкости и газа; F(vj/) - заданная завихренность. Разработанная математическая модель предназначена для учета влияний повышенной динамической вязкости и пониженной скорости звука высокотемпературного потока газа в керамических газовых турбинах.

3.11 На основании принципа шагового прогона фронта работ в динамической модели сетевого планирования и управления турбостроительным производством в приложении П.7 разработана имитационная модель, реализация которой обеспечивает увеличение эффективности планирования и оперативного управления производством, что в итоге приводит к увеличению эффективности производства, к снижению себестоимости продукции в турбостроении и к повышению рентабельности ГТУ, гарантирующей конкурентноспособность на мировом рынке.