Хуэй Ху и Блейк Джонсон из Университета штата Айова, работающие в узком углу за большой аэродинамической трубой университета, разрабатывают новые технологии для точного тестирования и улучшения стратегий охлаждения двигателя. В настоящее время они сосредоточены на улучшении лопаток турбины, вращаемых выхлопом двигателя. Эти лопасти в задней части двигателя приводят в движение передние лопасти, которые нагнетают сжатый воздух в камеру сгорания.
«В настоящее время температура сгорания двигателя составляет около 3000 градусов по Фаренгейту», — сказал Ху, профессор аэрокосмической техники штата Айова. «Эта температура выше температуры плавления всех материалов двигателя. Если у вас нет технологий охлаждения, весь материал расплавится».
Одна из технологий заключается в изготовлении полых лопаток турбины и продувке охлаждающей жидкости через отверстия в лопатках. Отверстия создают охлаждающую пленку между горячими выхлопными газами и лопатками турбины, позволяя лопаткам сохранять свою форму и прочность.Но теперь, когда производители экспериментируют с биотопливом и повышением эффективности, Ху сказал, что температура сгорания все выше и выше. Поэтому для инженеров становится все более и более важным исследовать и разрабатывать термостойкие материалы и технологии охлаждения.
Лучшее охлаждение может означать экономию топлива, более длительный срок службы деталей и значительное сокращение эксплуатационных расходов.В течение последних 19 месяцев Ху и Джонсон, научный сотрудник в области аэрокосмической техники в штате Айова, работали с Глобальным исследовательским центром GE в Нискайуне, штат Нью-Йорк, над изучением охлаждения лопаток турбины.Вместо того, чтобы пытаться воспроизвести высокие температуры внутри реактивного двигателя, инженеры разработали новые технологии и провели испытания при комнатной температуре для изучения эффективности форм охлаждающих отверстий, их расположения и охлаждающей пленки, которую они создают на лопатке турбины.
Они построили экспериментальную установку, которая помещает модельную лопатку турбины на дно испытательной секции аэродинамической трубы. Струи чистого азота или углекислого газа продуваются через охлаждающие отверстия лопасти модели. Основной поток аэродинамической трубы выдувает обогащенный кислородом воздух над испытательной лопаткой. Используя чувствительную к кислороду краску на лезвии модели, источник ультрафиолетового света и цифровую камеру, Ху и Джонсон могут увидеть, удерживает ли охлаждающая пленка молекулы кислорода от основного потока от лезвия модели.
«Если мы обнаружим молекулу кислорода на модельном лезвии, мы узнаем, что охлаждающий поток не создавал препятствий», — сказал Ху.До сих пор инженеры штата Айова работали с низкоскоростными потоками. Сейчас они строят и тестируют еще одну экспериментальную установку, которая может обрабатывать высокоскоростные потоки, приближающиеся к скорости звука.
Они также использовали усовершенствованный метод диагностики потока, называемый велосиметрией по изображению частиц, — засевая тестовые потоки крошечными частицами, которые можно сфотографировать с помощью лазера и камеры — для записи и измерения того, что происходит, когда газы выходят из охлаждающих отверстий.Эти испытания предоставляют данные о структуре потока, толщине охлаждающей пленки, соотношении плотностей, соотношении скоростей и других измерениях, связанных с эффективностью охлаждения.«Большая цель этого исследования — найти все, что GE может сделать для улучшения работы своей системы пленочного охлаждения», — сказал Джонсон. «Лучшее охлаждение означает более длительные лопасти.
А это может стоить миллиарды долларов для всего парка двигателей».