Ученые из Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого разработали инновационные системы охлаждения для лопаток газовых турбин на основе гироидных решетчатых структур. Эти структуры были созданы с использованием аддитивных технологий — послойного лазерного сплавления металлических порошков.
Газовые турбины являются сердцем энергетических установок, а их эффективность напрямую связана с температурой газа перед турбиной. Повышение этой температуры на каждые 100 °C дает прирост КПД примерно на 2–3 %, но одновременно создает экстремальные тепловые и механические нагрузки на материалы лопаток. Поэтому именно система охлаждения определяет долговечность и надежность турбин.
Гироидные структуры, напоминающие по форме сложные биологические системы, обладает уникальными свойствами: большой площадью поверхности, равномерным распределением теплового потока и способностью гасить вибрации. Долгое время ее применение было невозможно из-за сложности геометрии, но с появлением 3D-печати изготавливать такие конструкции стало просто.
В ходе работы исследователи напечатали на 3D-принтере образцы каналов с гироидными вставками и испытали их в аэродинамической установке. Сравнение с классическими гладкими каналами показало впечатляющий результат: коэффициент теплоотдачи увеличился в 8,3 раза, а глубина охлаждения стенки — почти вдвое (в 1,93 раза). Кроме того, температура распределялась более равномерно, что снижает риск локальных перегревов и появления трещин.
Высокая эффективность достигалась благодаря особой форме гироида — трехмерной минимальной поверхности с плавными изгибами и развитой площадью. Такая структура создает турбулизацию потока, усиливая отвод тепла, но при этом увеличивает гидравлическое сопротивление. Моделирование и испытания показали, что оптимальные результаты достигаются при средней «плотности» решетки: охлаждение значительно улучшается, а потери давления остаются на допустимом уровне.
Для описания выявленных зависимостей были построены математические модели на основе полиномиальной регрессии. Их точность превысила 96 %, что позволяет прогнозировать характеристики будущих конструкций без длительных и затратных расчетов. Экспериментальные данные подтвердили правильность подхода: расхождение между моделью и испытаниями составило не более 1,5 %.
На завершающем этапе работы команда представила прототип газотурбинной лопатки с интегрированными гироидными каналами, изготовленный методом селективного лазерного плавления. Первые испытания показали, что новая система охлаждения эффективнее традиционной, при этом требует меньшего расхода воздуха.
Это исследование открывает путь к созданию турбин нового поколения для энергетики и авиации. Теперь становится возможным работать при более высоких температурах, повышая КПД установок и снижая удельный расход топлива.
