Способ повышения ресурса газотурбинного двигателя по числу запусков

Авторы патента:

F02C7/00 - Конструктивные элементы, узлы, детали или вспомогательные приспособления, не отнесенные к группам F02C 1/00-F02C 6/00 или представляющие интерес независимо от них; воздухозаборники реактивных двигательных установок (управление F02C 9/00)

Владельцы патента RU 2627490:

Бадамшин Ильдар Хайдарович (RU)

Изобретение относится к авиадвигателестроению, к способам повышения ресурса и основных параметров за счет введения в конструкцию двигателя систем охлаждения турбин. Техническим результатом является повышение ресурса работы двигателя по числу запусков, соответственно малоцикловой усталости, путем снижения перепада температур в лопатках и дисках турбины за счет их предварительного подогрева горячим воздухом. Перед холодной прокруткой и запуском двигателя в систему охлаждения турбины подают горячий воздух от внешнего вспомогательного газотурбинного двигателя или от наземной установки и прогревают его в течение 3…6 минут, после чего запускают двигатель. Параметры подаваемого горячего воздуха соответствуют параметрам воздуха, подаваемого на охлаждение турбины данного двигателя. Подачу горячего воздуха отключают после выхода двигателя на режим «малый газ». 3 ил.

Изобретение относится к авиадвигателестроению, к способам повышения ресурса и основных параметров за счет введения в конструкцию двигателя систем охлаждения турбин.

Известен способ подачи охладителя в лопаточный аппарат газотурбинной установки путем регулирования его расхода при изменении режима работы установки. В момент включения камеры сгорания и в период последующего заброса температуры газа относительный расход охладителя увеличивают до величины, превышающей в 1,5-2 раза его номинальное значение, после заброса расход уменьшают до величины, составляющей 0,25-0,3, и поддерживают неизменным до режима предельной по условиям прочности лопаток температуры, после чего расход увеличивают до номинального значения пропорционально росту мощности установки. А также в период заброса температуры газа охладитель подают от внешнего источника, а после заброса - от компрессора установки (АС SU №585303, F02C 7/12; F01D 25/12, 23.12.1977 г; бюллетень №47).

Недостатком способа является отсутствие учета количественного влияния температурного градиента в лопатке на малоцикловую усталость.

Известен способ охлаждения рабочего колеса турбины многорежимного турбореактивного двигателя, включающий подачу охлаждающего воздуха в систему охлаждения рабочего колеса и изменение его расхода по режимам работы двигателя, по которому на крейсерских режимах работы двигателя наряду с уменьшением расхода охлаждающего воздуха подводят газ из проточной части турбины на вход системы охлаждения рабочего колеса турбины, при этом соотношение массовых расходов газа и охлаждающего воздуха выбирают в пределах 0,8-1,6 (RU 2159335 C1, F01D 25/12, F02C 7/12, 28.04.1999).

Недостатком способа является отсутствие учета влияния фактора прогрева рабочего колеса на малоцикловую усталость.

Известен способ термоусталостных испытаний конвективно-охлаждаемых лопаток, включающий подачу охлаждающей среды внутрь перфорированного дефлектора испытываемой лопатки и нагрев ее внешней поверхности и выпуск среды через щель в выходной кромке лопатки, предварительно разделяют внутреннее пространство дефлектора на переднюю и заднюю полости, нагрев внешней поверхности лопатки осуществляют постоянно, а подачу охлаждающей среды производят поочередно в переднюю и заднюю полости соответственно с температурами ниже и выше температуры поверхности лопатки до момента установления стационарного температурного состояния, причем при подаче среды в заднюю полость в передней создают пониженное давление (AC SU 1118774 A, F01D 5/18, 15.10.1984 г.; бюллетень №38).

Этот способ характеризуется экспериментальной оценкой малоцикловой (термической) усталости.

Недостатками способа являются большие трудоемкость и стоимость.

Известен способ контроля охлаждаемых лопаток турбины путем продувки каналов контролируемой лопатки рабочей средой, измерение параметра, характеризующего состояние системы ее охлаждения, и сравнение его с одноименным параметром эталонной лопатки, лопатку предварительно помещают в герметичную емкость с внутренней поверхностью, эквидистантной наружной поверхности лопатки, и осуществляют нагрев емкости, а в качестве характерного параметра используют распределение температурных напоров между внутренней поверхностью емкости и лопаткой для сходственных точек эталонной и контролируемой лопаток (AC SU №1138524 A, F01D 5/18, 7.02.1985 г.; бюллетень №5).

Недостатками способа являются большие трудоемкость и стоимость.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ снижения температурных перепадов в дисках газовой турбины на переходных и стационарных режимах путем подогрева диска рабочим газом из проточной части, подаваемым в полость, заключенную между диском и полостью, газ отводят из полости в атмосферу через отверстие в корпусе с отбором газа по оси вращения диска (АС SU №213466, F01С, 12.03.1968 г.; бюллетень №10).

Недостатком способа является использование отработанных газов, содержащих частицы нагара, которые в процессе эксплуатации приводят к уменьшению проходных сечений системы охлаждения.

Задача изобретения - расширение функциональных возможностей газотурбинного двигателя на пусковых режимах за счет снижения перепада температур между газовым потоком, обтекающим лопатки турбины, и внутренними полостями охлаждаемых лопаток, а также за счет снижения перепада температур между ободом диска и ступицей.

Технический результат изобретения - повышение ресурса работы двигателя по числу запусков путем снижения перепада температур в лопатках и дисках турбины за счет их предварительного подогрева горячим воздухом.

Поставленная задача достигается тем, что в способе повышения ресурса авиационного газотурбинного двигателя по числу запусков, соответственно по малоцикловой усталости, в котором снижают температурные перепады в газовой турбине, в отличие от прототипа перед холодной прокруткой и запуском двигателя в полости охлаждаемых сопловых и рабочих лопаток, а также на диски турбины двигателя подают горячий воздух с параметрами охлаждающего воздуха данного двигателя от внешнего вспомогательного газотурбинного двигателя и прогревают в течение 3…6 минут, после чего запускают двигатель, подачу горячего воздуха в систему охлаждения отключают после выхода двигателя на режим «малый газ».

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 изображена схема подачи горячего воздуха в систему охлаждения турбины, в которую перед холодной прокруткой и запуском двигателя подают горячий воздух (поз. 1) от внешнего вспомогательного газотурбинного двигателя или от наземной установки и прогревают лопатки и диски турбины. Параметры подаваемого горячего воздуха соответствуют температуре и расходу воздуха на охлаждение турбины данного двигателя. На фиг. 2 приведена типовая диаграмма термической усталости. На фиг. 3 приведена схема установки распределительного крана (клапана) подачи горячего воздуха от внешнего источника в систему охлаждения турбины: 1 - отбор воздуха от компрессора на охлаждение турбины; 2 - подвод воздуха на охлаждение турбины двигателя; 3 - распределительный кран подвода воздуха на охлаждение от внешнего источника.

Пример конкретной реализации способа

Перед запуском газотурбинного двигателя температура лопаток и дисков турбины имеет температуру окружающего воздуха: зимой до -30°С и ниже, летом до +30°С и выше.

Рассмотрим запуск двигателя с выходом на режим «малый газ» без предварительного подогрева лопаток и дисков.

Допустим, что на режиме «малый газ» температура газов перед турбиной составляет t_г^*=600°С. Температура окружающего воздуха 20°С. Температура холодного двигателя и, соответственно, температура лопатки принимается равной температуре окружающего воздуха. В этом случае во время запуска в момент розжига камеры сгорания температура охлаждающего воздуха t_охл^* принимается равной температуре окружающего воздуха 20°С. Тогда температура лопатки t_л определяется по известной формуле

где Θ=0,5 - коэффициент интенсивности конвективно-пленочного охлаждения лопатки.

Перепад температур между наружной и внутренней стенками лопатки составит

Δt=t_л-t_охл^*=290°.

А величина термической деформации ε_t составит

ε_t=α⋅Δt=3,828⋅10^-3,

где α=13,2⋅10^-6 К^-1 - коэффициент теплового расширения жаропрочного сплава.

Рассмотрим запуск двигателя с выходом на режим «малый газ» с предварительным подогревом лопаток и дисков.

Допустим, что в систему охлаждения турбины подается воздух от внешнего вспомогательного газотурбинного двигателя с температурой 250°С, т.е. t_охл^*=250°С. Повторив расчет термической деформации для этого случая, получим

ε_t=α⋅Δt=2,31⋅10^-3.

Таким образом, в данном случае величина термической деформации уменьшилась примерно на 66%.

Используя диаграмму термической усталости (фиг. 2), получим увеличение числа циклов до разрушения с N₁ до N₂. При одинаковом запасе по числу циклов нагружения можно соответственно повысить ресурс двигателя по числу запусков, то есть по малоцикловой усталости.

Для реализации способа необходимо в коммуникацию (обвязку) двигателя ввести следующие конструктивные доработки.

В трубопровод, подающий воздух от компрессора на охлаждение турбины 2 (фиг. 3), устанавливается распределительный кран (клапан) подачи горячего воздуха от внешнего источника в систему охлаждения турбины. Распределительный кран открывает подачу горячего воздуха от внешнего источника перед холодной прокруткой и запуском двигателя и закрывает ее после выхода двигателя на режим «малый газ».

Итак, заявляемое изобретение позволяет расширить функциональные возможности за счет подогрева лопаток и дисков турбины через систему ее охлаждения.

Способ повышения ресурса авиационного газотурбинного двигателя по числу запусков, соответственно по малоцикловой усталости, в котором снижают температурные перепады в газовой турбине, отличающийся тем, что перед холодной прокруткой и запуском двигателя в полости охлаждаемых сопловых и рабочих лопаток, а также на диски турбины двигателя подают горячий воздух с параметрами охлаждающего воздуха данного двигателя от внешнего вспомогательного газотурбинного двигателя и прогревают в течение 3…6 минут, после чего запускают двигатель, подачу горячего воздуха в систему охлаждения отключают после выхода двигателя на режим «малый газ».

Изобретение относится к воздушному блокировочному кольцу в сборе и, в частности, к воздушному блокировочному кольцу в сборе, имеющему радиальное крепление. Воздушное блокировочное кольцо (40) в сборе содержит ближний конец и дальний конец, блокировочное кольцо, имеющее выступ, и опору блокировочного кольца, имеющую участок стенки.

Система для смешивания топлива (варианты) // 2611124

Изобретение относится к энергетике. Система содержит смесительный узел, выполненный с возможностью смешивания жидкого топлива и воды с созданием топливной смеси.

Система продувки топлива и способ продувки топлива (варианты) // 2610371

Система продувки топлива, предназначенная для турбинного узла, содержит систему подачи топлива. Система подачи топлива содержит источник топлива, предназначенный для подачи топлива к турбинному узлу, управляющий клапан, предназначенный для регулирования потока топлива, делитель потока, предназначенный для селективного распределения топлива к по меньшей мере одной камере сгорания, и клапан камеры сгорания, расположенный выше по потоку от указанной по меньшей мере одной камеры сгорания.

Цилиндрический кожух и способ изготовления цилиндрического кожуха // 2599752

Изобретение относится к цилиндрическому кожуху, который используется в качестве кожуха вентилятора для закрытия лопастей вентилятора реактивного двигателя воздушного судна, и к способу изготовления цилиндрического кожуха.

Барабан ротора турбомашины // 2596895

Изобретение относится к роторам турбомашин, используемых в авиации. Барабан ротора турбомашины, содержащий корпус в форме полого цилиндрического тела вращения вокруг продольной оси и выполненный в нем один и более венец со средствами для крепления хвостовиков лопаток, расположенных по наружной поверхности через равные промежутки в поперечном направлении, при этом корпус содержит металломатричный композит с перекрестной укладкой армирующих волокон, средства для крепления хвостовиков лопатки выполнены в виде корневого элемента под сварку по форме профиля лопатки, а металломатричный композит сформирован по всей наружной поверхности тела вращения слоем толщиной, не превышающей высоту корневого элемента.

Барабан ротора турбомашины // 2596894

Изобретение относится к роторам турбомашин, используемых в авиации. Барабан ротора турбомашины выполнен в форме полого цилиндрического тела вращения вокруг продольной оси с одним и более венцами, со средствами для крепления хвостовиков лопаток, расположенных через равные промежутки по наружной поверхности, при этом барабан выполнен из металломатричного композита с перекрестной укладкой армирующих волокон, а средства для крепления хвостовиков лопаток выполнены в виде корневых элементов под сварку по форме профиля лопатки, при этом на внутренней поверхности барабана из композита выполнены наплывы, фланцы или цапфы с закладными элементами под сварку, причем наплывы расположены под корневыми элементами.

Способ прогнозирования погоды, устройство прогнозирования погоды и устройство использования воздуха // 2581741

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для прогнозирования погоды. Сущность: выбирают из множества элементов информации о погоде, которые относятся к областям и моментам времени и которые включают в себя, по меньшей мере, температурные данные, множество наборов информации о погоде, относящихся к множеству моментов времени в течение фиксированного периода, касающихся первой области, содержащей местоположение, в котором размещается устройство использования воздуха.

Баростатический клапан двойного действия // 2578766

Изобретение относится к элементам систем газотурбинных двигателей (ГТД) и может быть использовано в маслосистемах теплонапряженных авиационных ГТД для регулирования давления сжатого воздуха и горячих газов в системе суфлирования.

Система нагрева топливного газа с когенерационной установкой // 2561777

Изобретение относится к области машиностроения. Система нагрева топливного газа с когенерационной установкой, в которой когенерационная установка подключена к блоку управления, соединена трубопроводами подвода и отвода топливного газа с агрегатным блоком подготовки топливного газа (АБПТГ) и двигателем газоперекачивающего агрегата (ГПА) и содержит в своей конструкции два последовательно подключенных теплообменника: газомасляный теплообменник (ГМТ) и теплообменник-утилизатор тепла выхлопных газов (ТУВГ), в которых греющими теплоносителями выступают соответственно горячее масло и выхлопные газы газотурбинного двигателя когенерационной установки.

Баростатический клапан двойного действия // 2558725

Изобретение относится к области машиностроения, касается устройства элементов систем газотурбинных двигателей (ГТД) и может быть использовано в маслосистемах авиационных ГТД для поддержания заданного давления воздушно-газовой смеси в системе суфлирования масляных полостей.

Межроторная опора газотурбинного двигателя // 2628688

Изобретение относится к газотурбинным двигателям (ГТД) авиационного и наземного применения, в частности к опорам между роторами высокого и низкого давления. Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение надежности работы опоры за счет исключения перекоса колец подшипника и снижение контактных напряжений между роликами и кольцами, следовательно, повышение грузоподъемности подшипника за счет полного контакта роликов с кольцами. Технический результат достигается тем, что межроторная опора ГТД, содержащая наружный и внутренний валы, между которыми установлен радиальный роликоподшипник с наружным и внутренним кольцами, и гайку, наружный вал снабжен радиальным буртом, выполненным на внутреннем диаметре последнего, в отличие от известной снабжена двумя кольцевыми элементами, установленными между наружным кольцом радиального роликоподшипника и наружным валом, с осевым зазором относительно друг друга, причем контактирующие поверхности кольцевых элементов и наружного кольца роликоподшипника выполнены сферическими, при этом кольцевые элементы зафиксированы относительно наружного вала при помощи радиального бурта и гайки и подпружинены в осевом направлении посредством разрезного кольца, установленного между гайкой или радиальным буртом наружного вала и близлежащим кольцевым элементом, причем контактирующие поверхности разрезного кольца и кольцевого элемента выполнены коническими относительно продольной оси опоры. 1 ил.

Газотурбинная установка // 2628851

Изобретение относится к энергетике. Газотурбинная установка, содержащая соединенные по ходу рабочего тела цикла Брайтона компрессор, камеру сгорания и турбину, выходной вал которой соединен с электрогенератором, статорные обмотки которого соединены с энергосистемой, дополнительно снабжена электрическим нагревателем и блоком питания электрического нагревателя, при этом электрический нагреватель расположен последовательно в контуре для нагрева рабочего тела цикла Брайтона, силовые входы электрического нагревателя соединены с силовыми выходами блока питания электрического нагревателя, силовой вход блока питания электрического нагревателя соединен с цепью статорной обмотки электрогенератора. Изобретение позволяет повысить надежность работы газотурбинной установки. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Способ и устройство регулирования охлаждения масла в лопаточной машине // 2639471

Изобретение относится к способу регулирования охлаждения масла и к устройству охлаждения масла в лопаточной машине. Способ регулирования охлаждения масла внутри устройства и устройство охлаждения масла лопаточной машины содержат первый теплообменник, установленный последовательно со вторым теплообменником. Первый теплообменник является теплообменником масло/воздух. Второй теплообменник является теплообменником масло/топливо. Каждый теплообменник содержит вход масла и выход масла, ответвление, соединяющее напрямую вход масла первого теплообменника с выходом масла первого теплообменника, и регулятор расхода для регулирования расхода масла, проходящего через ответвление. Циркуляцию масла обеспечивают через ответвление при помощи регулятора расхода. Регулятор расхода содержит термоклапан, выполненный с возможностью открывания, когда температура масла меньше или равна заранее определенной температуре, составляющей от 70°C до 90°C, предпочтительно равной примерно 80°C. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Устройство и способ для временного увеличения мощности // 2644317

Изобретение относится к области турбинных двигателей, а более конкретно к устройству (13) и способу временного увеличения мощности по меньшей мере первого турбинного двигателя (5A). Устройство (13) содержит бак (14) охлаждающей жидкости, первый контур (16A) впрыска, соединенный с упомянутым баком (14) и ведущий к по меньшей мере одной форсунке(22), выполненной с возможностью установки выше по потоку от по меньшей мере одной ступени (8) компрессора первого турбинного двигателя (5A). Этот первый контур (16A) впрыска содержит первый проходной клапан (23), выполненный с возможностью открываться, когда давление превышает предварительно определенное пороговое значение по сравнению с давлением ниже по потоку от по меньшей мере одной ступени (8) компрессора второго турбинного двигателя (5B) с тем, чтобы давать возможность охлаждающей жидкости протекать по направлению к упомянутой форсунке(22) первого контура (16A) впрыска. Достигается автоматическое и быстрое временное увеличение мощности двигателя для компенсации отказа другого двигателя, минимизация дополнительного веса. 4 н. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Узел соединения агрегата внешней обвязки с корпусом турбомашины // 2645831

Изобретение относится к области турбомашиностроения, а именно к авиадвигателестроению. Техническим результатом является увеличение жесткости соединения, что приводит к повышению прочности и надежности узла соединения в случае динамической нагруженности, а именно при воздействии вибраций, а также снижение массы узла соединения в целом. Указанный технический эффект достигается тем, что в известном узеле соединения агрегата внешней обвязки с корпусом турбомашины, содержащем кронштейн, жестко соединенный с агрегатом внешней обвязки, причем на кронштейне, зацело с ним, выполнен выступ, жестко соединенный с корпусом, согласно настоящему изобретению выступ жестко зафиксирован в пазу посредством неразъемного соединения, выполненном в свою очередь в силовом элементе корпуса. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.