Способ повышения надежности щелевого устройства компрессора газотурбинного двигателя

Авторы патента:

Портер Александр Маркович (RU)

Турпитко Андроник Александрович (RU)

G01M15/14 - Испытание машин и двигателей (испытание топливовпрыскивающей аппаратуры F02M 65/00; испытание зажигания двигателей внутреннего сгорания, например проверка синхронизации F02P 17/00; обнаружение стуков в двигателях внутреннего сгорания G01L 23/22)

Владельцы патента RU 2770538:

Публичное акционерное общество "ОДК-Сатурн" (RU)

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к компрессорам со щелевым устройством, в частности к способам повышения надежности щелевого устройства компрессора. Техническим результатом заявленного изобретения является повышение надежности и ресурса работы компрессора. Технический результат достигается тем, что в способе повышения надежности щелевого устройства компрессора газотурбинного двигателя на стадии доводки компрессора на первом этапе определяют собственные частоты колебаний щелевого устройства компрессора и его элементов F₁, F₂, … F_n, на втором этапе определяют минимально возможную резонансную частоту возбуждения собственных колебаний F₀ щелевого устройства, : , где z - количество рабочих лопаток ступени компрессора, над которой расположено щелевое устройство; - частота вращения на малом газе, об/мин; на третьем этапе сравнивают собственную частоту колебаний щелевого устройства с минимально возможной резонансной частотой возбуждения собственных колебаний , если собственная частота колебаний щелевого устройства больше или равна минимально возможной резонансной частоты возбуждения собственных колебаний , то в щелевом устройстве наблюдается возбуждение резонансных колебаний, и тогда на четвертом этапе определяют фактическую частоту резонансных колебаний , ,… с обнаружением максимального значения фактической частоты резонансных колебаний , на пятом этапе определяют отношение максимальной фактической частоты собственных колебаний к минимальной частоте возбуждений колебаний , на шестом этапе определяют параметр , корень квадратный от отношения модуля Юнга и плотности материала щелевого устройства: , на седьмом этапе выбирают новый материал щелевого устройства с параметром ,

где - модуль Юнга нового подобранного материала, [Па]; - плотность нового подобранного материала, []; и на восьмом этапе определяют отношение , которое сравнивают с отношением максимальной фактической частоты собственных колебаний к минимальной частоте возбуждений колебаний , если , то подобранный материал щелевого устройства не удовлетворяет условиям отсутствия резонанса, и тогда возвращаются на седьмой этап до тех пор, пока не будет выполняться условие , при котором выполняется условие отсутствия резонанса на щелевом устройстве, на девятом этапе изготавливают щелевое устройство из выбранного материала и проводят проверку работоспособности щелевого устройства компрессора. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к компрессорам со щелевым устройством, в частности, к способам повышения надежности щелевого устройства компрессора, и может найти применение при работе компрессоров.

Корпус компрессора содержит несущий корпус, в котором выполнен кольцеобразный желоб напротив венца рабочих лопаток компрессора. В кольцеобразном желобе установлено щелевое устройство (Сиротин Н.Н., Новиков А.С., Пайкин А.Г. и др. Основы конструирования, производства и эксплуатации авиационных газотурбинных двигателей и энергетических установок в системе CALS технологии, книга 1., второе изд., изд. «Наука», 2011 г., стр.374, рис.8.116).

Проблемой данной конструкции является возбуждение динамических напряжений в элементах щелевого устройства при перетекании воздуха через щелевое устройство.

Частота динамических напряжений пропорциональна частоте вращения ротора с гармоникой, кратной количеству лопаток. Данные динамические напряжения могут приводить к появлению усталостных трещин.

Известен способ снижения вибронапряжений в турбомашине, при котором определяют резонансную частоту колебаний деталей турбомашины, определяют возможные изменения геометрии деталей турбомашины, расчетно исследуют влияние такого изменения на прочностные и жесткостные характеристики детали (Патент РФ на изобретение №2746365 от 05.06.2020, МПК G01M 15/14, опубл. 12.04.2021 Бюл.№11).

Недостатками данного способа является то, что требуется значительные исследования работоспособности турбомашины с новой измененной геометрией деталей, что влечет значительные затраты на доводку непосредственно самой турбомашины.

Так же известен способ повышения надежности деталей, заключающийся в том, что о степени повышения надежности деталей судят по линейности диаграммы деформирования, построенной в зависимости от прекращения приращения частоты собственных колебаний (Патент РФ №2097732 от 17.03.1995, опубл. 27.11.1997).

Недостатком данного способа является то, что при наличии резонансных колебаний элементов компрессора в диапазоне режимов его работы оптимизированние свойств используемого материала не является гарантированным условием обеспечения достаточного предела выносливости.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение надежности и ресурса работы самого компрессора, благодаря тому, что в ходе осуществления способа вводят параметр, связывающий физические свойства материала щелевого устройства с частотой собственных колебаний щелевого устройства, позволяющий путем замены материала щелевого устройства устранить динамические напряжения благодаря отсутствию резонанса при эксплуатации.

Технический результат достигается тем, что в способе повышения надежности щелевого устройства компрессора газотурбинного двигателя, в отличие от известного на стадии доводки компрессора на первом этапе определяют собственные частоты колебаний щелевого устройства компрессора и его элементов F₁, F₂, … F_n, на втором этапе определяют минимально возможную резонансную частоту возбуждения собственных колебаний F₀ щелевого устройства, :

где z - количество рабочих лопаток ступени компрессора, над которой расположено щелевое устройство;

- частота вращения на малом газе, об/мин;

на третьем этапе сравнивают собственную частоту колебаний щелевого устройства с минимально возможной резонансной частотой возбуждения собственных колебаний , если собственная частота колебаний щелевого устройства меньше минимально возможной резонансной частотой возбуждения собственных колебаний , то говорят о том, что в щелевом устройстве не наблюдается возбуждение резонансных колебаний, если собственная частота колебаний щелевого устройства больше или равна минимально возможной резонансной частоты возбуждения собственных колебаний , то говорят о том, что в щелевом устройстве наблюдается возбуждение резонансных колебаний, и тогда на четвертом этапе определяют фактическую частоту резонансных колебаний , ,... с обнаружением максимального значения фактической частоты резонансных колебаний , на пятом этапе определяют отношение максимальной фактической частоты собственных колебаний к минимальной частоте возбуждений колебаний , на шестом этапе определяют параметр корень квадратный от отношения модуля Юнга и плотности материала щелевого устройства: , на седьмом этапе выбирают новый материал щелевого устройства с параметром ,

где - модуль Юнга нового подобранного материала, [Па];

- плотность нового подобранного материала, [];

и на восьмом этапе определяют отношение , которое сравнивают с отношением максимальной фактической частоты собственных колебаний к минимальной частоте возбуждений колебаний , если , то подобранный материал щелевого устройства не удовлетворяет условиям отсутствия резонанса, и тогда возвращаются на седьмой этап до тех пор, пока не будет выполняться условие , при котором выполняется условие отсутствия резонанса на щелевом устройстве, на девятом этапе изготавливают щелевое устройство из выбранного материала, и проводят проверку работоспособности щелевого устройства компрессора.

На фигуре показана конструкция щелевого устройства компрессора низкого давления с дефектами.

Способ осуществляется следующим образом.

При испытаниях компрессора на щелевом устройстве возникают усталостные трещины на перемычке и на кольцевой части устройства. Для повышения надежности щелевого устройства осуществляют следующий способ.

На стадии доводки компрессора, на первом этапе определяют собственные частоты колебаний щелевого устройства и его элементов. Данные частоты можно определить любым известным методом, например, расчетным способом или методом простукивания (ping-test).

При этом из этих частот выделяют частоты , попадающие в рабочий диапазон (от частоты вращения на малом газе до максимальной частоты вращения ) с гармоникой, кратной количеству рабочих лопаток z.

На втором этапе определяют минимально возможную резонансную частоту возбуждения собственных колебаний F₀ щелевого устройства, в зависимости от количества рабочих лопаток z компрессора ступени, над которой расположено щелевое устройство, и от частоты вращения [об/мин] на малом газе: .

На третьем этапе сравниваем собственную частоту колебаний щелевого устройства () с минимально возможной резонансной частотой возбуждения собственных колебаний .

Если собственная частота колебаний щелевого устройства меньше минимально возможной резонансной частотой возбуждения собственных колебаний (), то говорят о том, что в щелевом устройстве не наблюдается возбуждение резонансных колебаний.

Если собственная частота колебаний щелевого устройства больше минимально возможной резонансной частоты возбуждения собственных колебаний (), то говорят о том, что в щелевом устройстве наблюдается возбуждение резонансных колебаний.

Если наблюдается возможное возбуждение резонансных колебаний в щелевом устройстве, то определяют на четвертом этапе, например, с помощью тензометрирования в составе изделия, фактическую частоту резонансных колебаний , ,...

Из полученных значений , , выбирают максимальное значение фактической частоты резонансных колебаний .

На пятом этапе определяют отношение максимальной фактической частоты собственных колебаний к минимальной частоте возбуждений колебаний: , которое больше 1, так как .

На шестом этапе определяют параметр корень квадратный от отношения модуля Юнга и плотности материала щелевого устройства: , .

Данный параметр позволяет связать физические свойства материала с частотой собственной колебаний детали.

На седьмом этапе выбирают новый материал щелевого устройства с параметром , ,

где - модуль Юнга нового подобранного материала, [Па];

- плотность нового подобранного материала, [].

На восьмом этапе определяют отношение , которое сравнивают с отношением максимальной фактической частоты собственных колебаний к минимальной частоте возбуждений колебаний .

Если , то подобранный материал щелевого устройства не удовлетворяет условиям отсутствия резонанса, и тогда возвращаются на седьмой этап (этап подбора нового материала для щелевого устройства) до тех пор, пока не будет выполняться условие .

Если , то при таком соотношении выполняется условие отсутствия резонанса на щелевом устройстве. Таким образом, подобранный материал с характеристиками модуль Юнга и плотностью удовлетворяет требованиям отсутствия резонанса, и на девятом этапе изготавливают щелевое устройство из выбранного материала, и проводят проверку работоспособности щелевого устройства компрессора.

Если щелевое устройство из выбранного материала в составе компрессора не удовлетворяет условиям проверки работоспособности, то выбирают другой материал для изготовления щелевого устройства, который удовлетворяет вышеуказанному требованию, а именно .

Таким образом, предложенный способ повышения надежности щелевого устройства компрессора за счет изменения материала щелевого устройства позволяет повысить надежность щелевого устройства компрессора.

Предложенный способ повышения надежности щелевого устройства был реализован при повышении надежности щелевого устройства компрессора турбореактивного двигателя. Материалом щелевого устройства является титановый сплав ВТ6 с характеристиками материала:

модуль Юнга =120 ГПа;

плотность =4500 ;

При этом параметр м/с.

При проведении теоретических расчетов было выявлено, что частоты собственных колебаний щелевого устройства равны: . При этом эти частоты оказались больше минимально возможной частоты возбуждения собственных колебаний .

Затем проводили тензометрирование щелевого устройства, при котором определили фактическую частоту резонансных колебаний , , с обнаружением максимального значения фактической частоты резонансных колебаний .

При тензометрировании щелевого устройства компрессора низкого давления турбореактивного двигателя (фигура) из материала ВТ6, было выявлено, что причиной усталостных трещин являются высокие динамические напряжения (11,7-12,3 ), возникающие в элементах из-за резонансов с частотами колебаний кратным количеству рабочих лопаток (), возбуждаемых в рабочем диапазоне вращения ротора.

Определили отношение .

В ходе осуществления данного способа был заменен материал щелевого устройства с титанового сплава ВТ6 на фторполимерный материал.

При этом параметр фторполимерного материала . Сравнивали отношения .

В результате сравнения видно, что видно, что , а именно . В ходе проведения испытаний после замены материала щелевого устройства из фторполимерного материала зафиксирован низкий уровень колебаний с гармоникой К23, который носит вынужденный характер. Резонансных колебаний не обнаружено. Результаты тензометрирования щелевого устройства из титанового материала ВТ6 и фторполимерного материала представлены в таблице 1.

По результатам дефектации после тензометрирования на щелевом устройстве из фторполимерного материала дефектов не обнаружено.

Таблица 1. Результаты тензометрирования

Материал щелевого устройства	Максимальные замеренные динамические напряжения, кгс/мм²	Резонансная частота, Гц	Гармоника
ВТ6	11,7	7026-7066	К=46
12,3	5398-5445	К=23
Фторполимерный материал	0,02	Не выявлено	---

После тензометрирования щелевое устройство было установлено на турбореактивный двигатель, который проходил эквивалентно-циклические испытания (ЭЦИ) в объеме установленного ресурса. Дефектов после ЭЦИ не обнаружено.

Благодаря тому, что в способе повышения надежности щелевого устройства компрессора газотурбинного двигателя, в отличие от известного на стадии доводки компрессора на первом этапе определяют собственные частоты колебаний щелевого устройства компрессора и его элементов F₁, F₂, … F_n, на втором этапе определяют минимально возможную резонансную частоту возбуждения собственных колебаний F₀ щелевого устройства, :

где z - количество рабочих лопаток ступени компрессора, над которой расположено щелевое устройство;

- частота вращения на малом газе, об/мин;

где - модуль Юнга нового подобранного материала, [Па];

- плотность нового подобранного материала, [];

Способ повышения надежности щелевого устройства компрессора газотурбинного двигателя, отличающийся тем, что на стадии доводки компрессора на первом этапе определяют собственные частоты колебаний щелевого устройства компрессора и его элементов F₁, F₂, … F_n,

на втором этапе определяют минимально возможную резонансную частоту возбуждения собственных колебаний F₀ щелевого устройства, :

где z - количество рабочих лопаток ступени компрессора, над которой расположено щелевое устройство;

- частота вращения на малом газе, об/мин;

на четвертом этапе определяют фактическую частоту резонансных колебаний , ,… с обнаружением максимального значения фактической частоты резонансных колебаний ,

на пятом этапе определяют отношение максимальной фактической частоты собственных колебаний к минимальной частоте возбуждений колебаний ,

на шестом этапе определяют параметр , корень квадратный от отношения модуля Юнга и плотности материала щелевого устройства: , ,

на седьмом этапе выбирают новый материал щелевого устройства с параметром ,,

где - модуль Юнга нового подобранного материала, [Па];

- плотность нового подобранного материала, [];

на девятом этапе изготавливают щелевое устройство из выбранного материала и проводят проверку работоспособности щелевого устройства компрессора.

Изобретение относится к области авиастроения газотурбинных двигателей, в частности к системам для испытаний авиационных двигателей при их создании, доводке на этапах опытно-конструкторских работ, эксплуатации, ремонте и сервисном обслуживании, предназначенным для повышения эффективности экспериментальной доводки двигателей.

Стенд для испытаний насосной системы подачи порошкообразного металла в камеру сгорания ракетного двигателя // 2770072

Изобретение относится к области ракетного двигателестроения и может быть использовано при испытаниях насосных систем подачи порошкообразного металла в камеру сгорания ЖРД. Стенд содержит корпусную оснастку, технологические емкости, систему подачи горючего в камеру сгорания и систему управления процессами испытаний и контроля параметров.

Способ вибродиагностики электродвигателей постоянного тока с применением метода вейвлет-анализа // 2769990

Изобретение относится к испытанию электрических машин постоянного тока. Способ диагностирования технического состояния электродвигателей постоянного тока для наземного и водного транспорта с электродвижением заключается в том, что выполняют измерение и амплитудно-частотно-временной анализ среднеквадратичного отклонения параметров вибрации с применением непрерывного вейвлет-преобразования, что позволяет фиксировать кратковременные импульсы вибрации на всех режимах эксплуатации объекта диагностирования от переходных до установившихся.

Способ экспресс-диагностирования турбокомпрессора дизельного двигателя // 2769291

Изобретение относится к испытаниям турбокомпрессоров, используемых для наддува дизельных двигателей. Способ испытания турбокомпрессора заключается в том, что на двигателе монтируют комплект измерительных приборов устройства экспресс-диагностирования турбокомпрессора, в котором введен массив эталонных данных, необходимых для формирования показателей оценочных критериев, отсоединяют фильтр очистки воздуха, производят пуск двигателя, обеспечивают его прогрев, измеряют давление 1 наддувочного воздуха после компрессорной части турбокомпрессора (Рк1), давление 4 газов в картере двигателя (Ркг1), температуру 2 наддувочного воздуха после компрессорной части турбокомпрессора (Тк1), температуру 3 отработавших газов на входе в турбинную часть турбокомпрессора (Тт1), затем перемещают орган управления топливоподачи в положение максимальной подачи с заданным темпом, начало перемещения органа топливоподачи является началом временного отсчета измерений (t1).

Способ диагностирования автомобильных генераторов по спектру выходного напряжения // 2769257

Изобретение относится к диагностической технике и может быть использовано для диагностирования технического состояния автомобильных генераторов. Техническим результатом использования предлагаемого способа является возможность распознавания конкретных неисправностей автомобильных генераторов непосредственно на автомобиле на основе спектрального анализа выходного напряжения.

Способ комплексной оценки технического состояния двигателей внутреннего сгорания // 2769047

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при оценке технического состояния двигателей внутреннего сгорания с учетом температурного и вибрационного признаков. Технический результат достигается тем, что способ комплексной оценки технического состояния двигателей внутреннего сгорания, заключающийся в определении комплексного показателя с учетом температуры и вибрации выпускных газов, а также их эталонных значений на максимальной и минимальной частоте вращения, отличающийся тем, что фактические значения температуры и вибрации наружной стенки выхлопного коллектора измеряются на режиме полной мощности, температурный признак определяется по формуле где σUt - стандартное отклонение температуры, Вт; Utфакт - фактическое значение температуры наружной стенки выхлопного коллектора, Вт; MUt - среднее арифметическое значение температуры, Вт, а вибрационный признак определяется по формуле где σUv - стандартное отклонение вибрации, Вт; Uvфакт - фактическое значение вибрации наружной стенки выхлопного коллектора, Вт; MUv - среднее арифметическое значение вибрации, Вт, при этом комплексная оценка определяется по формуле устанавливается статус технического состояния: исправное; КО>0,5 - неисправное и формируется цифровой код: КО:ТП[Utфакт]VП[Uvфакт].

Способ испытания электрогидравлической форсунки // 2767854

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к стендам при испытаниях топливных форсунок. Способ испытания электрогидравлической форсунки включает местное повышение температуры нагревом наружной поверхности электромагнита актуатора промышленным феном до заданной температуры.

Измеритель тяги камеры сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя, действующий в условиях присоединенного воздухопровода // 2766963

Изобретение относится к устройствам для испытаний камер сгорания прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ПВРД), в частности к измерителям реактивной тяги камер сгорания, действующим в условиях огневых испытаний по схеме присоединенного воздухопровода. При подаче воздуха в камеру сгорания с различными термогазодинамическими параметрами имитируется работа камеры сгорания в составе двигателя в различных условиях полета летательного аппарата.

Способ испытания и проверки работоспособности свечей зажигания газотурбинных двигателей // 2766478

Изобретение относится к технике розжига горючих смесей с помощью электрической искры, в частности к емкостным системам зажигания авиационных газотурбинных двигателей. Техническим результатом является повышение достоверности проведения автономных испытаний систем зажигания при воспроизведении параметров воздействующих факторов, действующих на элементы системы зажигания, сокращение затрат на проведение испытаний свечей зажигания при проведении ресурсных испытаний газотурбинных двигателей.

Устройство для испытания и проверки работоспособности свечей зажигания // 2766315

Изобретение относится к технике проведения автономных испытаний свечей зажигания как в процессе проведения опытно-конструкторских работ по их разработке, так и при проведении автономных ресурсных испытаний свечей. Техническим результатом является повышение достоверности воспроизведения в автономных условиях параметров, воздействующих на свечи зажигания внешних воздействующих факторов, имеющих место на газотурбинном двигателе.

Способ испытания высокотемпературной газовой коррозии, абразивной и температурной стойкости материалов и покрытий газотурбинных двигателей в высокоскоростных газовых потоках относится к области аэрокосмического и энергетического машиностроения и может использоваться для нанесения регламентированных коррозионных повреждений, одновременных испытаний коррозионной, абразивной и температурной стойкости материалов и сплавов в среде продуктов сгорания жидких и/или газовых топлив, загрязненных оксидами серы, углерода, азота, пылью, парами воды, хлористым водородом, солями и другими коррозионно-активными агентами. Предложен способ испытания высокотемпературной газовой коррозии, абразивной и температурной стойкости материалов и покрытий газотурбинных двигателей в высокоскоростных газовых потоках, включающий размещение исследуемых образцов во вращающейся кассете, которая вращается с заданной скоростью и снабжена коллектором ввода охлаждающего воздуха, подачу и регулирование расхода горючего газа в реакторе, подачу и регулирование расхода воздуха для охлаждения исследуемых образцов снаружи и по внутренним каналам посредством системы распределения сжатого воздуха, подающей воздух, необходимый для внутреннего охлаждения образцов, внутрь вращающейся кассеты, и холодный воздух на поверхность исследуемых образцов, ввод абразивных частиц в солевой раствор, который далее впрыскивают в реактор, ввод и вывод исследуемых образцов в факел пламени посредством серверного электродвигателя с приводом, размещенного на подвижной платформе, передвигающейся по рельсам, расположенным перпендикулярно потоку пламени. Причем ход привода задан таким образом, чтобы исследуемые образцы в одном крайнем положении находились в зоне нагрева, а в другом - в зоне охлаждения. При этом для испытаний при высоких температурах в качестве горючего газа используют один из газов - пропан, водород или ацетилен, а абразивные частицы представляют собой измельченные порошки диоксида кремния и/или корунда и/или железа и/или вулканического пепла. Технический результат - обеспечение возможностей нанесения регламентированных коррозионных повреждений, одновременных испытаний коррозионной, абразивной и температурной стойкости в диапазоне 500-2350°С образцов сплавов, в том числе лопаток газовых турбин, охлаждаемых по внутренним каналам воздухом, в среде высокоскоростных потоков продуктов сгорания жидких и/или газовых топлив, загрязненных оксидами серы, углерода, азота, пылью, парами воды, хлористым водородом, солями и другими коррозионно-активными агентами. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.