Работа посвящена разработке новых составов жаростойкого термобарьерного покрытия для деталей газотурбинных двигателей и газотурбинных установок. Представлены основные существующие материалы и технологии нанесения жаростойких термобарьерных покрытий, а также представлены перспективные материалы для получения жаростойких термобарьерных покрытий. Предлагаемый в работе новый состав жаростойкого термобарьерного покрытия представляет собой четырехслойную композицию: в качестве двух первых жаростойких связующих слоев использованы материалы на основе никеля с добавлением алюминия, хрома, иттрия, рения, гафния; в двух последних слоях использованы материалы на основе диоксида циркония с добавлением оксидов редкоземельных металлов. Представлены результаты сравнительных испытаний на термоциклическую стойкость, изотермическую жаростойкость образцов из суперсплава на основе никеля с новым составом жаростойкого термобарьерного покрытия и с существующими на АО «ОДК-Пермские моторы» составами. А также замерена температуропроводность методом лазерной вспышки образцов из суперсплава на основе никеля с новым и одним из существующих на АО «ОДК-Пермские моторы» составов жаростойкого термобарьерного покрытия. Применение разработанного состава жаростойкого термобарьерного покрытия позволяет значительно повысить ресурс деталей горячей части газотурбинных двигателей и газотурбинных установок, а также обеспечить работоспособность деталей на новых и перспективных изделиях с повышенной рабочей температурой. На сегодняшний день, в условиях АО «ОДК-Пермские моторы», новый состав жаростойкого термобарьерного покрытия применяется при изготовлении газотурбинных установок и газотурбинных двигателей на базе ПС90-А.

Ключевые слова: плазменное напыление в открытой атмосфере, плазменное напыление в динамическом вакууме, жаростойкое термобарьерное покрытие, газотурбинный двигатель, газотурбинная установка, суперсплав на основе никеля, диоксид циркония, редкоземельные металлы, циклическая стойкость, изотермическая жаростойкость, температуропроводность.

Ситников Илья Владимирович (Пермь, Россия) – ведущий инженер технологического бюро нанесения покрытий, отдел главного сварщика, АО «ОДК-Пермские моторы» (614010, г. Пермь, Комсомольский пр-т, 93, корпус 61, e-mail: sitnikov-iv@pmz.ru); аспирант кафедры «Сварочное производство, метрология и технология материалов», Пермский национальный исследовательский политехнический университет (614990, г. Пермь, Комсомольский пр-т, 29, e-mail: stu459@mail.ru).

Максимов Дмитрий Аркадьевич (Пермь, Россия) – главный сварщик, АО «ОДК-Пермские моторы» (614010, г. Пермь, Комсомольский пр-т, 93, корпус 61, e-mail: maksimov-da@pmz.ru).

Батраков Владимир Николаевич (Пермь, Россия) – заместитель главного сварщика, АО «ОДК-Пермские моторы», (614010, г. Пермь, Комсомольский пр-т, 93, корпус 61, e-mail: batrakov-vn@pmz.ru).

Боронников Юрий Андреевич (Пермь, Россия) – начальник технологического бюро нанесения покрытий, отдел главного сварщика, АО «ОДК-Пермские моторы» (614010, г. Пермь, Комсомольский пр-т, 93, корпус 61, e-mail: boronnikov-yua@pmz.ru).

1. Коломыцев П.Т. Высокотемпературные защитные покрытия для никелевых сплавов. – М.: Металлургия, 1991.

2. Береговский В.В., Арутюнова И.В. Влияние жаростойкого подслоя термобарьерных покрытий на механическую усталость жаропрочных сплавов // Мир современной науки. – 2012. – № 4 (13). – С. 46–50.

3. Панков В.П., Шаталов А.И., Соловьев В.А. Структурные изменения в жаростойких покрытиях лопаток турбин при эксплуатации // Наука Парк. – 2014. – № 2-2 (22). – С. 51–55.

4. Панков В.П., Шаталов А.И., Соловьев В.А. Комбинированные жаростойкие покрытия лопаток турбин газотурбинного двигателя // Наука Парк. – 2014. – № 2-2 (22). – С. 56–61.

5. Панков В.П. Исследования комбинированных жаростойких покрытий лопаток турбин газотурбинных двигателей // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2016. – № 3 (135). – С. 26–30.

6. Панков В.П. Исследования сплавов и покрытий лопаток турбин газотурбинных двигателей в процессе эксплуатации // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2016. – № 5(137). – С. 36–40.

7. Панков В.П., Бабаян А.Л., Куликов М.В., Коссой В.А., Варламов Б.С. Теплозащитные покрытия лопаток турбин авиационных газотурбинных двигателей // Ползуновский вестник. – 2021. – № 1. –
С. 161–172. DOI: 10.25712/ASTU.2072-8921.2021.01.023.

8. Джон Шайбель, Кирк Фик, Шейн Элбел, Джеффри С. Смит. Испытания термобарьерных покрытий компонентов горячего тракта ГТУ с низкой проводимостью // Газотурбинные технологии. – 2021. – № 3 (178). – С. 26–32.

9. Балдаев Л.Х., Балдаев С.Л., Мазилин И.В., Ахметгареева А.М., Иванов А.С. Применение термобарьерных покрытий для лопаток современных газотурбинных установок на примере ГТД-110М // Надежность и безопасность энергетики. – 2016. – № 2 (33). – С. 70–72.

10. Оковитый В.В. Выбор оксидов для стабилизации диоксида циркония при получении теплозащитных покрытий // Наука и техника. – 2015. – № 5. – С. 26–32.

11. Hui Mei, Yanan Liu, Laifei Cheng Comparison of oxidation resistance of NiCoCrAlTaY-coated and -uncoated Mar-M247 superalloys in the air at 1150 C // J Mater Sci (2012) 47:2278–2283.

12. Sumana Ghosh Microstructure and Mechanical Properties of a Glass-Ceramic Bond Coated TBC System // Procedia Materials Science 6 (2014) 425–429.

13. L. Wang, X.H. Zhong, Y.X. Zhao, S.Y. Tao, W. Zhang, Y. Wang, X.G. Design and optimization of coating structure for the thermal barrier coatings fabricated by atmospheric plasma spraying via finite element method // SuneJournal of Asian Ceramic Societies 2 (2014) 102–116.

14. Lei Jin, Peizhong Li, Haibin Zhou, Wei Zhang, Guodong Zhou, Chun Wang Improving thermal insulation of TC4 using YSZ-based coating and SiO2 aerogel // Progress in Natural Science: Materials International 25 (2015) 141–146.

15. Leilei Sun,Hongbo Guo, Hui Peng, Shengkai Gong, Huibin Xu Phase stability and thermalconductivity of ytterbia and yttria co-doped zirconia // Progress in Natural Science: Materials International 2013; 23 (4): 440–445.

В статье описываются результаты набора статистических данных по повреждениям применительно к различным по структуре конструктивным зонам по нанесению низкоскоростных ударных повреждений на полноразмерные детали из полимерных композиционных материалов авиационного двигателя для наработки статистики. Для этого вида работ разработана установка для нанесения требуемых низкоскоростных ударных повреждений, по типу маятникового копра, разработанная установка позволяет наносить низкоскоростные ударные повреждения в определенном диапазоне энергий. При выполнении работы учитывались различные зоны конструкции (регулярная оболочка, фланцевые утолщения, места изменения толщины и т.д.), повреждения наносились с учетом выбранной зоны. По результатам работ получен набор статистических данных нанесенных повреждений (геометрические размеры, характеристики ударного взаимодействия, визуальные отличия) для разных конструктивных зон конструкции, выполнен статистический анализ полученных результатов испытаний с определением средних значений, стандартных отклонений и коэффициентов вариации глубины и максимального диаметра повреждений. Результаты работы представлены в виде графиков зависимостей геометрических размеров повреждения от фактической энергии удара. Представленный подход по нанесению низкоскоростных ударных повреждений, который основан на использовании в качестве объекта испытаний полноразмерных конструкции, позволяет однозначно определить необходимые параметры ударных повреждений, которые необходимо учитывать при планировании эксперимента и при обосновании статической и усталостной прочности конструкции.

Ключевые слова: полимерный композиционный материал, маятниковый копер, повреждения 1-ой категории (BVID), повреждения 2-ой категории (VID), энергия удара, глубина повреждения, максимальный диаметр повреждения, визуальные отличия ударных повреждений, характеристики ударного взаимодействия, установка для нанесения низкоскоростных ударных повреждений.

Торопицина Анна Владимировна (Пермь, Россия) – заместитель начальника отдела по экспериментальным исследованиям и работам с ПКМ, АО “ОДК-Авиадвигатель” (614000, Россия, г. Пермь, Комсомольский пр-т, 93, e-mail: toropitcina@avid.ru).

Маклаков Данила Валентинович (Пермь, Россия) – начальник бригады экспериментальных исследований силовых схем и ПКМ, АО “ОДК-Авиадвигатель” (614000, Россия, г. Пермь, Комсомольский пр-т, 93, e-mail: maklakov-dv@avid.ru).

Зебзеев Александр Алексеевич (Пермь, Россия) – аспирант ПНИПУ, кафедра АД. Инженер отдела экспериментальных исследований силовых схем и ПКМ, АО  “ОДК-Авиадвигатель” (614000, Россия, г. Пермь, Комсомольский пр-т, 93, e-mail: zebzeev-aa@avid.ru).

1. А.С. ASTM D7136. Стандартный метод определения повреждаемости композиционного материала с полимерной матрицей, армированного волокном, в рамках испытания на удар падающим грузом. –
2015 – C. 39.

2. С.В. Дубинский, Ю.М. Фейгенбаум, А.А. Селихов, С.А. Гвоздев, В.М. Ордынцев. Закономерности реализации случайных ударных воздействий на конструкцию крыла коммерческого самолета. – Москва. ФГУП “Государственный научно-исследовательский институт гражданской авиации”. – 2016.

3. С.В. Дубинский, Ю.М. Фейгенбаум, В.Я. Сеник. Определение критериев прочности по условиям визуальной контролепригодности ударных повреждений в композитных авиационных конструкциях. Москва – “Государственный научно-исследовательский институт гражданской авиации”. – 2016.

4. С.В. Дубинский, Ю.М. Фейгенбаум, В.Я. Сеник. Развитие методов статистического анализа экспериментальных данных об обнаруживаемости ударных повреждений композитной конструкции при визуальном контроле. Москва. – Издательский отдел ЦАГИ. – 2017 – С. 21.

5. МОС 25.571-1А ”Оценка допустимости повреждений и усталостной прочности конструкции”. – СЦ “Прочность”, инв. № 123/1б – 2015.

6. Авиационные правила АП-25. Нормы летной годности самолетов транспортной категории – 2009.

Сейчас без преувеличения можно утверждать о существовании новой мощной альтернативы, пришедшей на замену физическому эксперименту. CFD методы позволяют решить большой перечень практических задач. Однако важным вопросом любого численного исследования является оценка адекватности полученных численных прогнозов. При проведении численного исследования нужно начинать с решения тестовой задачи, решение которой уже хорошо известно из более ранних и достоверных исследований (натурных или аналитических). При решении тестовой задачи проводится настройка и верификация математической модели. В связи с чем в данной работе приводятся результаты численного моделирования обтекания конфигураций кольцевых ВЗУ, располагаемых в межкалиберном пространстве, с различными геометрическими параметрами центрального тела, определяющие основные параметры, характеризующие их газодинамическое совершенство. Показана методика проведения вычислительного эксперимента по определению дроссельных характеристик. На основе сравнения расчетов с экспериментальными данными дается заключение о возможности применения программного комплекса ANSYS Fluent для дальнейшего использования при решении аналогичных задач.

Ключевые слова: воздухозаборное устройство, ВЗУ, численное моделирование, математическое моделирование, дроссельная характеристика, коэффициент восстановления давления, коэффициент расхода воздуха, вычислительная газовая динамика, верификация, уравнения Навье-Стокса, программные комплексы, ANSYS Fluent, CFD-пакеты, сверхзвуковые течения, неструктурированные сетки.

Ветров Вячеслав Васильевич (Тула, Россия) – доктор технических наук, профессор кафедры «Ракетное вооружение», Тульский государственный университет (300012, г. Тула, пр. Ленина, 92, e-mail: vvvetr@mail.ru).

Шилин Павел Дмитриевич (Тула, Россия) – аспирант кафедры «Ракетное вооружение», Тульский государственный университет (300012, г. Тула, пр. Ленина, 92, e-mail: pvl.shilin@yandex.ru).

1. Платонов Д.В., Минаков А.В., Дектерев А.А., Харламов Е.Б. Сравнительный анализ CFD-пакетов SIGMAFLOW и ANSYS Fluent на примере решения ламинарных тестовых задач // Вестник Томского государственного университета. Вып. 1 (21), 2013

2. Харитонов А.М. О верификации и валидации моделей и методов численного моделирования пространственных течений // Материалы Международной конференция «Современные проблемы прикладной математики и механики: теория, эксперимент и практика», Новосибирск, 30 мая – 4 июня, 2011.

3. Железнякова А.Л. Технологии верификации и валидации в численном газодинамическом моделировании // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2018. Т.19, вып. 2.

4. Белова О.В., Волков В.Ю., Скибин А.П., Николаева А.В., Крутиков А.А., Чернышев А.В. Методологические основы CFD-расчетов для поддержки проектирования пневмогидравлических систем. Инженерный журнал: наука и инновации, 2013, вып. 5. URL: http://engjournal.ru/catalog/­machin/vacuum/763.html

5. Сухарев К.В., Дияров К.А., Насырова М.И., Бердин В.К., Еникеева А.А. Верификация математической модели экспериментальной установки для исследования эффекта Ранка-Хилша // Сетевое издание «Нефтегазовое дело». 2018. №2

6. Зиганшин А.М. Вычислительная гидродинамика. Постановка и решение задач в процессоре Fluent. Казань: Изд-во Казанск. гос. архитект.- строит. ун-та, 2013. 79 с.

7. Затолока В.В., Александрович Е.В., Семенов А.А., Трифонов А.К. Кольцевые и секторные воздухозаборники с сужением фюзеляжа перед входом и эффективность их использования на ракетах с ПВРД // Труды ЦАГИ, 1968

8. Ветров В.В., Морозов В.В., Чулков Н.С., Шилин П.Д., Оськин А.С., Федоров А.С. Основные конструктивные и проектно-функциональные требования к воздухозаборным устройствам // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 11. Тула: Изд-во ТулГУ, 2020

9. Ветров В.В., Дикшев А.И., Костяной Е.М., Федоров А.С. Выбор рациональной конфигурации воздухозаборного устройства бикалиберной ракеты с ракетно-прямоточным двигателем // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 12. Ч. 2. Тула: Изд-во ТулГУ, 2014

10. Гарбарук А.В. Моделирование турбулентности в расчетах сложных течений: учебное пособие / А.В. Гарбарук, М.Х. Стрелец, М.Л. Шур – СПб: Изд-во Политехн. унта, 2012. – 88 с.

11. Лубина А.С., Седов А.А. Верификация CFD-моделей ANSYS FLUENT для однофазных течений в каналах простой формы // 10 МНТК «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» ОКБ «ГИДРОПРЕСС», Подольск, Россия 16-19 мая 2017 г.

12. Железнякова А.Л., Суржиков С.Т. Численное моделирование гиперзвукового обтекания модели летательного аппарата Х-43 // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2010. № 1

13. Тарасов А.Л. Исследование аэродинамических характеристик профиля крыла вблизи поверхности земли с помощью программного комплекса ANSYS Fluent// Научный Вестник МГТУ ГА 2015, № 216

14. Котов Е.В. Численное моделирование обтекания крыловых профилей при малых и умеренных углах атаки: выпускная квалификационная работа (диссертация магистра прикладной математики и физики). – Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, 2016. – 34 с.

15. Еникеев Г.Г., Бикмеев А.Т., Соловьев А.А., Касаткин А.А., Юлмухаметов К.Р. Особенности моделирования движения многофазного потока в воздухозаборнике газотурбинного двигателя // Вестник УГАТУ, Т.15, №4(44). С. 18–24, 2011 г.

В данной статье рассматривается моделирование напряженно-деформированного состояния изделий при лазерной порошковой наплавке на примере ступенчатого трубчатого образца. Для калибровки модели был проведен ряд экспериментов с использованием присадочного порошка фракционного состава 40–80 мкм. При лазерной порошковой наплавке образцов проводилось двухточечное термометрирование, необходимое для последующей калибровки температурной задачи. Наплавка порошка проводилась в один слой с паузами между наплавленными дорожками согласно режимам наплавки. В качестве защитного газа были использованы гелий и аргон.

Создание прикладного инструмента предварительной численной оценки коробления и остаточных напряжений в заготовках и ДСЕ перед проведением ремонтных технологических операций методом порошковой лазерной наплавки, позволяющего проводить оперативные приближенные расчеты, было основной задачей работы.

В модели рассматривался метод element birth/death, позволяющий реализовать появление тел наплавки и являющийся наиболее удобным в данном случае. Моделирование короблений проводилось путем разделения наплавляемой части на дорожки, которые, в свою очередь, делятся на тела наплавки. Следующим этапом служит нагрев и охлаждение каждого элементарного тела по траектории наплавки, взамен моделирования перемещающегося источника тепла. Командные вставки позволяют регулировать траекторию наплавки с помощью автоматической нумерации элементарных тел. Предложенная методика позволяет быстро препроцессировать задачу и получить достаточно точные результаты расчета за короткое время.

Проводилось сравнение результатов моделирования и реальной лазерной порошковой наплавкой. Верификация разрабатываемой модели была произведена с помощью оцифрованной внешней поверхности существующих экспериментальных образцов после наплавки. Расчеты показывают достаточную вычислительную точность модели, однако, использование высокотемпературных свойств материала порошка позволит уменьшить погрешность вычислений.

Ключевые слова: лазерная порошковая наплавка, моделирование, коробления, напряженно-деформированное состояние, термометрирование, смерть/рождение элементов, связанные задачи, температурные деформации, ремонтные технологии, перемещающийся источник тепла.

1Донгаузер Константин Александрович, АО “ОДК-Авиадвигатель”, 614000, Пермский край, г. Пермь, Комсомольский проспект, д. 93. Начальник бюро КАТП.

2Бояршинов Михаил Геннадьевич, ФГАОУ ВО “Пермский национальный исследовательский политехнический университет”, 614990, Пермский край, г. Пермь, Комсомольский проспект, д. 29. Доктор технических наук, профессор кафедры автомобилей и технологических машин

3Бекмансуров Марат Рамильевич, АО “ОДК-Авиадвигатель”, 614000, Пермский край, г. Пермь, Комсомольский проспект, д. 93. Инженер бюро КАТП. +79523303649, bekmansurov-mr@avid.ru.

1. O.Yu. Smetannikov, P.V. Maksimov, D.N. Trushnikov, G.L. Permyakov, V.Ya. Belenkiy, A.S. Farberov Studying of the influence of 3D wire deposition process parameters on the formation of residual deformations // PNRPU Mechanics Bulletin. – 2019. – №2. P. 181–194. (дата обращения: 11.10.2021).

2. Petrick I., Simpson T. 3D Printing disrupts manufacturing // Research-Technology Management. – November-December 2013. – P. 15–16. (дата обращения: 2.08.2021).

3. G. Li, J. Zhang, T. Shi, J Shi, D. Cheng, L. Lu, S. Shi Experimental Investigational on Laser Metal Deposition of Ti-6Al-4V Alloy with Coaxial Local Shielding Gas Nozzle // Journal of Materials Engineering and Performance. 2020. – №. 29(1–4). – С. 1–9 (дата обращения: 11.10.2021).

4. C. Li, Y. Wang, H. Zhan, T. Han, B. Han, W. Zhao Three-dimensional finite element analysis of temperatures and stresses in wide-band laser surface melting processing / // Materials & Design. –2010. – Vol. 31. – No. 7. – P. 3366–3373. (дата обращения: 11.10.2021).

5. Korner C. Additive manufacturing of metallic components by selective electron beam melting –a review // International Materials Reviews. – 2016. – Vol. 61. – No.5. – P. 361–377. (дата обращения: 12.10.2021).

6. W. King, A. Anderson, R. Ferencz, N. Hodge, C. Kamath, S. Khairallah Overview of modelling and simulation of metal powder bed fusion process at Lawrence Livermore National Laboratory // Material Science and Technology. – 2015. – Vol. 31. – No. 8. –P. 957–968. (дата обращения: 12.10.2021).

7. M. Chen, Y. Lu, Z. Wang, H. Lan, G. Sun, Z. Ni Melt pool evolution on inclined nv e690 steel plates suring laser direct metal deposition// Optic and Laser Technology. 136 (2021). (дата обращения: 15.11.2021).

8. A. Moghaddam, N. Shaburova, M. Samodurova, A. Abdollahzadeh, E. Trofimov Additive manufacturing of high entropy alloys: a practical review // Journal of Materials Science & Technology. 77 (2021). 131-162. (дата обращения: 15.11.2021).

9. Three-dimensional finite element analysis of temperatures and stresses in wide-band laser surface melting processing / C. Li, Y. Wang, H. Zhan, T. Han, B. Han, W. Zhao // Materials & De-sign. – 2010. – Vol. 31. – No. 7. – P.  3366–3373. DOI: 10.1016/j.matdes.2010.01.054. (дата обращения: 2.10.2021).

10. Ma L., Bin H. Temperature and stress analysis and simulation in fractal scanning-based laser sintering // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2007. – Vol. 34. –No. 9. – P. 898–903. (дата обращения: 14.11.2021).

11. Experimental and numerical analysis of residual stresses in additive layer manufacturing by laser melting of metal powders / Ibiye A. Roberts [et al.]// Key Engineering Materials. – 2011. – Vol. 450. – P. 461–465, available at: http://www.scientific.net/KEM.450.461. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.450.461. (дата обращения: 14.11.2021).

12. Investigation of residual stresses in selective laser melting / L. Parry, I. Ashcroft, D. Bracket, R.D. Wildman // Key Engi-neering Materials. – 2015. – Vol. 627. – P. 129–132. (дата обращения: 5.11.2021).

13. An experimental investigation into additive manufacturing-induced residual stresses in 316L stainless steel / A. Wu, D.Brown, M. Kumar, G. Gallegos, W. King // Metall. Mater. Trans. – 2014. – Vol. 45A. – P. 1–11. (дата обращения: 11.10.2021).

14. Baufeld B., Van der Biest O., Gault R. Additive manufacturing of Ti–6Al–4V components by shaped metal deposition: Microstructure and mechanical properties // Materials & Design. – 2010. – Vol. 31. – P. 106–111. (дата обращения: 14.11.2021).

15. Macroscopic modelling of the selective beam melting process / D. Riedlbauer, J. Mergheim, A. McBride, P. Steinmann // Proc. Appl. Math. Mech. – 2012. – Vol. 12. –No. 1. – P. 381–382. (дата обращения: 14.11.2021).

Приводятся результаты работы по созданию и отработке численной тепловой инфракрасного излучателя на базе трубчатой галогенной лампы КГТ-220-1300, применяемого при проведении термовакуумных испытаний космических аппаратов.

Для разработки модели и решения задачи лучисто-кондуктивно-конвективного теплообмена использовано программное обеспечение Thermal Model Generator. Анализ температурных полей проведён с помощью тепловизионной камеры.

Выполнены варианты расчетов для функционирования излучателя при различных значениях питающего напряжения. Результаты математического моделирования с применением полосовой аппроксимации свойств элементов системы вместе с методом Монте-Карло в решении задачи теплообмена излучением системы «тело накала – кварцевая оболочка – рефлектор» показали высокую эффективность.

Достоверность разработанной модели рассматривается в контексте проведённого эксперимента по измерению температурных полей на пластине, которая выступает в качестве объекта контроля, взаимодействующего с излучением, а инструмент теплового контроля – тепловизионная камера.

Наличие в распоряжении у разработчиков систем обеспечения теплового режима космических аппаратов такого рода модели является важным шагом в комплексной работе, нацеленной на проведение сквозного математического моделирования тепловых режимов космических аппаратов, а также позволяет обоснованно её использовать для проектных расчётов имитаторов излучения.

Ключевые слова: инфракрасный излучатель, полосовая аппроксимация, метод Монте-Карло, Thermal Model Generator, тепловизионная камера, излучение, спектральные коэффициенты отражения.

Куликов Дмитрий Сергеевич (Самара, Россия) – инженер-конструктор АО «Ракетно-космический центр “Прогресс”» (443009, г. Самара, ул. Земеца, д.18, e-mail: kulikovsamspace@gmail.com).

Моисеев Виктор Викторович (Самара, Россия) – инженер по испытаниям АО «Ракетно-космический центр “Прогресс”» (443009, г. Самара, ул. Земеца, д.18, e-mail: moiseev.viktor@bk.ru).

Артемьева Александра Андреевна (Самара, Россия) – инженер-конструктор АО «Ракетно-космический центр “Прогресс“» (443009, г. Самара, ул. Земеца, д. 18, e-mail: Sanni.09p@mail.ru).

1. Вавилов В.П. Инфракрасная термография и тепловой контроль. – М.: Спектр, 2009. – 544 с.

2. High heat flux mapping using infrared images processed by inverse methods: An application to solar concentrating systems / Victor P., Sylvain S.// Solar Energy, Elsevier. – 2015. – P. 29-35.

3. Simple Numerical Method for Multidimensional Inverse Identification of Heat Flux Distribution / Chunli F., Fengrui S., Li Y. // Journal of Thermophysics and Heat Transfer. – 2009. – Vol. 23. – P. 622-629. DOI: 10.2514/1.38446.

4. Simulation of an Infrared Composite Curing Process / S. Nakouzi, F. Schmidt // Advanced Engineering Materials. – 2013. – Vol. 7. – P. 604-680. DOI: 10.1002/adem.201000344

5. Infrared thermography applied to the study of heated and solar pavement: from numerical modeling to small scale laboratory experiments / Touz N., Toullier T. // SPIE – Thermosense: Thermal Infrared Applications XXXIX. – Anaheim, United States, 2017. – April 2017. DOI: 10.1117/12.2262778

6. Вавилов В.П., Александров А.Н. Инфракрасная термографическая диагностика в строительстве и энергетике. – М.: НТФ «Энергопрогресс», 2003. – 76 с.

7. Куликов Д.С. Численная тепловая модель лампы накаливания для испытаний космических аппаратов // Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника. – 2020. – №61. – С. 50-58. DOI: 10.15593/2224-9982/2020.61.06

8. Технический отчёт. Значения поглощательной способности солнечной радиации "As" и полной нормальной степени черноты "E" для материалов и покрытий, применяемых при конструировании космических аппаратов. Справочные графики и таблицы. 1962 г.

9. John R. Howell, Robert Siegel, M. Pinar Mengüç. Thermal radiation heat transfer. –6th ed.– Boca Raton, London, New York: CRC press, Taylor & Francis Group, 2016. – 970 p.

10. Долгополов В.И. Светотехнические материалы – М.: Энергия, 1972 – 168 с.

11. Расчет коэффициента теплоотдачи на плоских и гафрированных поверхностях [Электронный ресурс] URL: https://www.comsol.ru/blogs/calculating-the-heat-transfer-coefficient-for-flat-and-corrugated-plates/. (дата обращения: 07.09.2021).

12. Rohsenow M. D., Hartnett P. Handbook of heat transfer. – 3rd ed. – MCGRAW-HILL, 1998. – 1501 p.

13. Куликов Д.С., Бирюк В.В., Моисеев В.В. Экспериментальное исследование теплового режима трубчатой галогенной лампы накаливания // Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника. – 2019. – №56. –
С. 92-101. DOI: 10.15593/2224-9982/2019.56.08

14. Оптическая система перспективного светодиодного имитатора солнечного излучения /
А.А. Шевчук, Г.В. Двирный, Г.Г. Крушенко, В.В. Двирный, М.В. Елфимова // Космические аппараты и технологии. – 2019. – T.3 №1. – С. 28–40. DOI: 10.26732/2618-7957/2019-1-28-40

15. Characterization of Radiation Heat Transfer in High Temperature Structural Test Fixtures / L. Hudson, G. Kendrick, J. Kenny // Thermal & Fluids Analysis Workshop. – NASA Johnson Space Center, Houston, TX. 2018. – 20-24 August.

16. Comparative analysis of calculation methods for heat flux field of the quartz lamp radiant heater / Kong F.,Liu B., Wanf L. // J. of Spacecraft Environment Engineering. – 2020. – Vol. 37. – P. 47-53.

В настоящей работе представлен методологический подход к проектированию системы терморегулирования космического аппарата с прокачкой теплоносителя хладопроизводительностью до 15 кВт. Рассмотрены два варианта конструкций. Проведен тепловой и массоэнергетический анализ системы терморегулирования (СТР) для автоматического космического аппарата (АКА) с активной прокачкой теплоносителя, используя теплоту фазового перехода. Структурно СТР состоит из двухфазного контура (ДФК) и аксиальных тепловых труб (ТТ).

Последовательная прокладка контура для сбора тепла нецелесообразна, так как приводит к чрезмерно большим диаметрам паровых трактов. Требуется рассматривать либо схему с параллельной прокладкой паровых магистралей, либо вариант с центральной двухфазной шиной и автономными контурами для сбора/отвода тепла.

Предлагаемая компоновка СТР с ДФК и активной прокачкой теплоносителя производительностью до 15 кВт предусматривает необходимую площадь излучательных панелей.

Рассмотрено два варианта: с центральной тепловой шиной и с параллельным соединением линии испарения. Результаты анализа показывают массовое приемужество ДФ СТР с центральной зарезервированной шиной. Параметр надежности для первого вариант также выше, так как в нем имеется полное резервирование центральной тепловой шины. Во втором варианте резервирование контура затруднительно. Преимущество второго варианта – меньшее термическое сопротивление при передаче тепла от оборудования, следовательно, большие расчетные запасы по температуре посадочных мест оборудования.

Ключевые слова: космический аппарат, система терморегулирования, тепловые трубы, капиллярный насос, двухфазный контур.

Шилкин Олег Валентинович (Железногорск, Россия) – главный конструктор ОКР «СТР с ДФК», начальник сектора 3604, АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева» (662971, Красноярский край, г. Железногорск, ул. Ленина, д.52, e-mail: shilkin@iss-reshetnev.ru).

Кишкин Александр Анатольевич – доктор технических наук, профессор, заведующий кафедры «Холодильная, криогенная техника и кондиционирование», Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева (660037, г. Красноярск, пр-т им. газеты Красноярский рабочий, 31, e-mail: spsp99@mail.ru).

Зуев Александр Александрович – доктор технических наук, доцент кафедры «Двигатели летательных аппаратов», Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева (660037, г. Красноярск, пр-т им. газеты Красноярский рабочий, 31, e-mail: dla2011@inbox.ru).

Делков Александр Викторович – кандидат технических наук, доцент кафедры «Холодильная, криогенная техника и кондиционирование», Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева (660037, г. Красноярск, пр-т им. газеты Красноярский рабочий, 31, e-mail: delkov-mx01@mail.ru).

Шевченко Юлия Николаевна - Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева, 660037, г. Красноярск, пр-т им. газеты Красноярский рабочий, 31. Аспирант кафедры «Холодильная, криогенная техника и кондиционирование», e-mail: gift_23j@mail.ru.

1. Meseguer J., Perez-Grande I., Sanz-Andres A. Spacecraft thermal control. Cambridge. UK : Woodhead Publishing Limited, 2012. 413 p.

2. Gilmore D. G. Spacecraft thermal control handbook. The Aerospace Corporation Press, 2002. 413 p.

3. Крушенко Г. Г., Голованова В. В. Совершенствование системы терморегулирования космических аппаратов // Вестник СибГАУ. 2014. № 3 (55). С. 185–189.

4. Chebotarev V. E., Zimin I. I. Procedure for evaluating the effective use range of the unified space platforms // Сибирский журнал науки и технологий. 2018, Т. 19, № 3, С. 532–537. Doi: 10.31772/2587-6066-2018- 19-3-532-537.

5. Шилкин О.В., Кишкин А.А., Зуев А.А., Делков А.В., Лавров Н.А. Проектирование системы пассивного охлаждения бортового комплекса космического аппарата // Вестник Московского авиационного института. 2021. Т. 28. № 2. С. 96-106. DOI: 10.34759/vst-2021-2-96-106

6. Two-dimensional thermal model of the thermal control system for nonhermetic formation spacecraft / F. V. Tanasienko, Y. N. Shevchenko, A. V. Delkov и др. // Сибирский журнал науки и технологий. 2018, Т. 19, № 3. С. 445–451. Doi: 10.31772/2587-6066-2018- 19-3-445-451.

7. Определяющие тепловые сопротивления в модели жидкостного контура системы терморегулирования космического аппарата/ Ю. Н. Шевченко, А. А. Кишкин, Ф. В. Танасиенко, О. В. Шилкин , М. М. Попугаев // Сибирский журнал науки и технологий. 2019. Т. 20, № 3. С. 366–374.

8. Delcov A. V., Hodenkov A. A., Zhuikov D. A. Mathematical modeling of single-phase thermal control system of the spacecraft // Proceedings of 12th Intern. Conf. on Actual Problems of Electronic Instrument Engineering, APEIE 2014. 2014. P. 591–593.

9. Delcov A. V., Hodenkov A. A., Zhuikov D. A. Numerical modeling and analyzing of conjugate radiation-convective heat transfer of fin-tube radiator of spacecraft // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2015. Vol. 93, No. 012007.

10. Зуев А.А., Назаров В.П., Арнгольд А.А. Определение локального коэффициента теплоотдачи с использованием модели температурного пограничного слоя в полостях вращения газовых турбин // Вестник Московского авиационного института. 2019. Т. 26. № 2. С. 99-115.

11. Зуев А.А., Пиунов В.Ю., Назаров В.П., Арнгольд А.А. Определение локального коэффициента теплоотдачи с использованием модели температурного пограничного слоя с конвективной составляющей в полостях вращения ТНА ЖРД // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Машиностроение. 2019. Т. 19. № 2. С. 30-44. DOI: 10.14529/engin190203

12. Weyburne D. W. Approximate heat transfer coefficients based on variable thermophysical properties for laminar flow over a uniformly heated flat plate // Heat andMass Transfer. 2008, Vol. 44, Iss. 7. P. 805–813. Doi: 10.1007/s00231-007-0306-z.

13. Weyburne D.W. New thickness and shape parameters for the boundary layer velocity profile // Experimental Thermal and Fluid Science. 2014. Vol. 54. P. 22–28. Doi: 10.1016/j.expthermflusci.2014.01.008.

14. Triple diffusive mixed convection from an exponentially decreasing mainstream velocity / P. M. Patil, M. Roy, A. Shashikant et al. // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2018. Vol. 124. P. 298–306. Doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.03.052.

15. Improved velocity and temperature profiles for integral solution in the laminar boundary layer flow on a semi-infinite flat plate / S. M. Seyyedi, A. S. Dogonchi, M. Hashemi-Tilehnoee et al. // Heat Transfer – Asian Research. 2019. Vol. 48, Iss. 1. Р. 182–215. Doi: 10.1002/htj.21378.

16. Denarie A., Aprile M., Motta M. Heat transmission over long pipes: New model for fast and accurate district heating simulations // Energy. 2019. Vol. 166. P. 267–276. Doi: 10.1016/j.energy.2018.09.186.

17. Прямолинейное равномерное течение газов с теплоотдачей в энергетических установках летательных аппаратов / М. И. Толстопятов, А. А. Зуев, А. А. Кишкин и др. // Вестник СибГАУ. 2012. № 4 (44). С. 134–139.

18. Analysis of efficiency of systems for control of the thermal regime of spacecraft / A. V. Delkov, A. A. Kishkin, N. A. Lavrov et al. // Chemical and Petroleum Engineering. 2016. No. 9. P. 714–719.

При проектировании турбореактивного двухконтурного двигателя особое внимание уделяется снижению стоимости его жизненного цикла, значительная часть которой связана с ремонтом двигателя. Стоимость замены охлаждаемых лопаток турбины высокого давления может достигать 50 % общей стоимости ремонта всего двигателя, поэтому весьма актуальной является проблема создания надёжных и долговечных охлаждаемых лопаток. Решение этой проблемы невозможно без создания методики, позволяющей получать достоверные прогнозы теплового состояния лопаток расчётным путём.

Исследована проблема прогнозирования эффективности конвективного и плёночного охлаждения средствами вычислительной газовой динамики. Проведено исследование сеточной независимости применительно к задачам прогнозирования эффективности плёночного охлаждения. Результаты численного моделирования плёночного и конвективного охлаждения сопоставлены с результатами натурного эксперимента, опубликованными в открытых источниках. Выдвинуты рекомендации по построению сеточных моделей и настройкам модели турбулентности SST для задач плёночного и конвективного охлаждения. Показано, что при соблюдении некоторых рекомендаций по построению сетки модель SST способна с приемлемой точностью прогнозировать характеристики конвективного и плёночного охлаждения в области параметров выдува от 0,85 до 1,2.

Ключевые слова: numerical simulation, convective cooling, film cooling, turbulent Prandtl number, turbulence model, valdation of the turbulence model, grid independency, blow ratio, cooled blades, gas turbines.

Гаскаров Александр Вячеславович (Пермь, Россия) – ведущий конструктор отдела расчётно-экспериментальных работ по турбинам АО «ОДК-Авиадвигатель» (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., д. 93); e-mail: gaskarov-vv@avid.ru.

Пискунов Станислав Евгеньевич (Пермь, Россия) – инженер-конструктор – расчётчик отдела расчётно-экспериментальных работ по турбинам АО «ОДК-Авиадвигатель» (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., д. 93), аспирант кафедры «Авиационные двигатели» Пермский национальный исследовательский политехнический университет (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29) e-mail: piskunov-se@avid.ru.

Попов Денис Андреевич (Пермь, Россия) – инженер-конструктор – расчётчик отдела расчётно-экспериментальных работ по турбинам АО «ОДК-Авиадвигатель» (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., д. 93), аспирант кафедры «Авиационные двигатели» Пермский национальный исследовательский политехнический университет (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29) e-mail: popov-da@avid.ru.

Сендюрёв Станислав Игоревич (Пермь, Россия) – начальник бригады тепловых и гидравлических расчётов отдела расчётно-экспериментальных работ по турбинам АО «ОДК-Авиадвигатель» (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., д. 93), доцент кафедры «Авиационные двигатели» Пермский национальный исследовательский политехнический университет (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29) e-mail: sendyurev@avid.ru.

1. Иноземцев А.А., Нихамкин М.А., Сандрацкий В.Л. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. – М.: Машиностроение, 2008. – Т. 2. – 368 с.

2. Aerothermal Optimization of Fully Cooled Turbine Blade Tips / V. Andreoli, J. Braun, G. Paniagua, Cis De Maesschalck, M. Bloxham, W. Cummings, L. Langford // Journal Of Turbomachinery. – 2019. – Vol. 141, 061007-1.

3. Исаев А.И., Скоробогатов С.В. Гидродинамическая верификация и валидация численных методов расчёта течения в камере сгорания газотурбинного двигателя // Труды Московского авиационного института. – 2017. – № 97.

4. Ping D., Amano R.S. High-pressure gas turbine vane turbulent flows and heat transfer predicted by RANS/LES/DES // ASME Paper. – 2017. – №GT2017-63032. – 15 p.

5. Петельчиц В.Ю. Совершенствование систем плёночного охлаждения входных кромок лопаток газовых турбин: дис. … канд. техн. наук: 05.14.06. – Киев, 2016. – 142 с.

6. Попова Д.Д., Попов Д.А., Самойленко Н.А. Исследование влияния параметров сеточной модели и модели турбулентности на качество моделирования аэродинамических процессов в области радиального зазора рабочих лопаток турбины // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. – 2021. – № 66. – С. 67–78.

7. Адаптация SST модели турбулентности для моделирования пленочного охлаждения плоской пластины / В.Ю. Петельчиц, А.А. Халатов, Д.Н. Письменный, Ю.Я. Дашевский // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. – 2013. – № 63. – С. 25–29.

8. Overall cooling effectiveness measurements on pressure side surface of the nozzle guide vane with optimized film cooling hole arrangements / Dong-Ho R., Young S.K., Bong J.Ch., Sanga L. // ASME Paper. – 2017. – № GT2017-63421. – 11 p.

9 Correlation of film cooling effectiveness from thermographic measurements at engine like conditions / S. Baldauf, M. Scheurlen, A. Schulz, S. Wittig // ASME Paper. – 2002. – №GT2002-30180. – 14 p.

10. Heat Flux Reduction From Film Cooling and Correlation of Heat Transfer Coefficients From Thermographic Measurements at Enginelike Conditions/ S. Baldauf, M. Scheurlen, A. Schulz, S. Wittig // ASME Paper. – 2002. – №GT2002-30181. – 11 p.

11. Baldauf S., Schulz A., Wittig S. High-Resolution Measurements of Local Heat Transfer Coefficients From Discrete Hole Film Cooling // ASME Paper. – 2001. – №99-GT-43. – 9 p.

12. Baldauf S. High-Resolution Measurements of Local Effectiveness From Discrete Hole Film Cooling/ S. Baldauf, A. Schulz, S. Wittig // ASME Paper №99-GT-43. – 2001. – 8 p.

13. Lee K., Kim S., Kim K. Numerical analysis of film-cooling performance and optimization for a novel shaped film-cooling hole // ASME Paper. – 2012. – №GT2012-68529. – 11 p.

14. Harrison K., Bogard D. Comparison of RANS turbulence models for prediction of film cooling performance // ASME Paper. – 2008. – №GT2008-51423. – 10 p.

15. Mathew S., Ravelli S., Bogard D. Evaluation of CFD predictions using thermal field measurements on a simulated film cooled turbine blade leading edge // ASME Paper. – 2011. – № GT2011-46619. – 10 p.