RU1718645C - Способ контроля состояния системы охлаждения турбины газотурбинного двигателя в процессе эксплуатации - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к охлаждаемым газовым турбинам и обеспечивает повышение точности контроля. На двигателях с регулируемым перепуском охлаждающего воздуха дополнительно измеряют температуру газа в характерном сечении турбины. Температуру рабочих лопаток измеряют при включенном и выключенном перепусках охлаждающего воздуха, а дефектную турбину выделяют, исходя из следующего соотношения при постоянной температуре газа

где Δt_экспл.-Δt_сд разность температур рабочих лопаток при выключенном и включенном перепусках охлаждающего воздуха в эксплуатации и на этапе сдаточного испытания (t_выкл - t_вкл);

Description

Изобретение относится к охлаждаемым газовым турбинам и может быть использовано для комплексного контроля работы системы охлаждения с регулированием расхода охлаждающего воздуха.

Известен способ контроля состояния характеристик системы охлаждения турбины, в котором, поочередно отключая каждый из элементов системы охлаждения, определяют расходные характеристики элементов системы охлаждения и, сравнивая их со среднестатистическими, определяют по ним состояние системы охлаждения, например ее ухудшение в связи с увеличением утечек через монтажные зазоры, через клапан, регулирующий расход охлаждающего воздуха, через лабиринтные уплотнения и т.д. Известный способ используется при экспериментальной отработке изолированного от турбины диска с лопатками, клапана перепуска охлаждающего воздуха и т.д.

Однако, получаемые известным способом расходные характеристики элементов системы охлаждения не соответствуют условиям их эксплуатации в составе турбины, поскольку при обтекании горячим газом изменяются зазоры между элементами ротора, появляются влияние неоднородной температуры роторных деталей, неоднородность поля полного давления по радиусу турбины перед отверстиями перфорации, влияние вращения и т.п.

Недостатком использования способа получения расходных характеристик элементов системы охлаждения турбины является необходимость учета большого количества перечисленных выше влияющих факторов, удорожание цикла экспериментального исследования из-за необходимости разборки турбины, анализа состояния элементов системы охлаждения и последующей сборки.

Известен способ контроля характеристик отдельных охлаждаемых деталей по их техническому состоянию, когда детали (рабочие лопатки) остаются в эксплуатации до выявления в них усталостных трещин через заданные интервалы времени. Детали, в которых отсутствуют усталостные трещины, остаются в эксплуатации после достижения назначенного ресурса до следующего этапа проверки.

Однако, при визуальном контроле состояния рабочих лопаток отсутствует возможность комплексного контроля системы охлаждения турбины по наиболее важному для нее параметру температуре поверхности рабочих лопаток, а следовательно, и возможность предотвращения усталостных трещин на деталях системы охлаждения.

Известен способ контроля состояния характеристик системы охлаждения турбины по температурному состоянию наиболее термонапряженных деталей турбины рабочих лопаток. Температура рабочих лопаток при таком способе измеряется с помощью пирометра в процессе опытной стендовой доводки ГТД. Повышение температуры лопаток позволяет обнаружить обрывы дефлекторов, уменьшение расходов охлаждающего воздуха вследствие засорения каналов и т.п.

Однако, показания пирометров имеют существенный разброс, так как на них оказывает влияние значительное количество таких факторов, как допустимый разброс расходных характеристик лопаток, связанный с допусками на литье лопаток, загрязнение оптики датчика пирометра, состояние термостойкого или теплозащитного покрытия на лопатках, температура окружающей среды t_н, излучение продуктов сгорания, переизлучение от камеры сгорания и иных высокотемпературных элементов. Так, например, по результатам значительной статистики, накопленной на нашем предприятии установлено, что в показаниях яркостных пирометров типа ОПП-32 разброс абсолютного уровня температур лопаток измеренных, например на одном и том же двигателе различных сборок составляет ± 20-30^о (фиг.1).

Цель изобретения повышение точности контроля системы охлаждения турбины в процессе эксплуатации ГТД.

Цель достигается тем, что на двигателях с регулируемым перепуском охлаждающего воздуха дополнительно измеряют температуру газа в характерных сечениях турбины, температуру рабочих лопаток измеряют при включенном и выключенном перепусках охлаждающего воздуха, а дефектную турбину выделяют, исходя из следующего соотношения при постоянной температуре газа:

<

<-

где Δt_экспл. и Δt_сд t_выкл-t_вкл- разность температур рабочих лопаток при выключенном и включенном перепусках охлаждающего воздуха в эксплуатации и на этапе сдаточного испытания;

допустимая относительная разность температур. Отличительных признаков изобретения в других объектах техники не обнаружено.

Замер перепада температур при включенном и выключенном перепусках охлаждающего воздуха позволяет контролировать параметры системы охлаждения турбины в комплексе. Например, если в процессе эксплуатации происходит увеличение утечек воздуха через монтажные зазоры лопаток в замке, через увеличивающиеся зазоры в лабиринтных уплотнениях, через клапан, регулирующий расход охлаждающего воздуха, засорение внутренний полости лопаток, то любой из этих факторов приводит к тому, что меняется перепад температур на рабочей лопатке между ее температурой при включенном и выключенном перепусках охлаждающего воздуха (Δt). Изменение перепада температур Δt в процессе эксплуатации выше, либо ниже измеренного перепада температур при сдаточных испытаниях дает возможность судить о состоянии системы охлаждения турбины и необходимости разборки двигателя для выяснения причин ухудшения параметров системы охлаждения.

Так как при сдаточных испытаниях и в эксплуатации измеряются и сравниваются перепады между температурой лопаток при включенном и выключенном перепусках охлаждающего воздуха, а не абсолютные величины температур рабочей лопатки ТВД, автоматически исключается погрешность измерения температуры лопатки пирометром, связанная с допустимым разбросом расходных характеристик лопаток, связанная с допусками на литье лопаток, загрязнением оптики датчика пирометра, состоянием термостойкого и термозащитного покрытия лопаток, излучением продуктов сгорания, температурой окружающей среды, переизлучением от камеры сгорания и иных высокотемпературных элементов.

При любом ухудшении характеристик системы охлаждения в процессе эксплуатации двигателя перепад температур Δt_экспл.= t_{закр.экспл.} t_{откр.экспл.} изменяется либо в сторону его увеличения Δt_экспл. > Δt_сд., либо в сторону его снижения Δt_экспл. < Δt_сд., что связано с различным наклоном кривых в зависимостях θ= f(G_охл.) при включенном перепуске охлаждающего воздуха.

Одним из примеров снижения Δt_экспл. по сравнению с Δt_сд. может быть тот случай, когда клапан перепуска воздуха не прикрывается на необходимую величину и через систему охлаждения и рабочую лопатку ТВД идет повышенный расход воздуха.

Примером увеличения Δt_экспл. может быть случай загрязнения внутренней полости рабочей лопатки ТВД.

Так, например, при увеличении толщины слоя загрязнения внутренней полости лопаток от δ_загр. 0 при сдаточных испытаниях до δ_загр. 0,1, 0,2, 0,3 мм в эксплуатации при постоянной температуре газа, например, в IУ сопловом аппарате t_{г. в IУ с.а.откр.} t_{г. в IУ с.а.закр.}или перед турбиной Т^* _г.откр. Т^* _г.закр. температура лопаток t_{лоп.откр.}увеличивается на большую величину при открытом клапане перепуска воздуха (на 87^о в таблице), чем t_{лоп.закр.} (на 18^о в таблице) и величины Δθ при δ_загр. 0. При сдаточных испытаниях и при δ_загр. 0,1, 0,2, 0,3 мм в эксплуатации имеет существенное различие.

На фиг. 1 изображена статистика по измерению температуры при открытом и закрытом перепусках охлаждающего воздуха, полученная в процессе опытной доводки ГТД; на фиг. 2 график зависимости температуры рабочей лопатки от температуры газа при открытом и закрытом перепусках охлаждающего воздуха при сдаточных испытаниях и в процессе эксплуатации.

Изобретение осуществляется следующим образом.

Во время стендовой опытной доводки ГТД в начале длительных испытаний измеряется перепад Δt_н t_закр. t_откр. Затем в конце успешных, бездефектных по охлаждаемым деталям турбины длительных испытаний определяется перепад Δt_к t_закр. t_откр. и рассчитывается относительный перепад температур

на партии двигателей. В результате определяется допускаемое поле разброса величины

от -

до + +

. Это делается для того, чтобы учесть погрешности, связанные, например, с погрешностью в величине прикрытия клапана перепуска воздуха и др. но не приведшие к дефектам деталей системы охлаждения, например к трещинам на рабочих лопатках.

При серийном изготовлении ГТД во время сдаточных испытаний снимается дроссельная характеристика зависимости температуры лопатки, измеренной пирометром, от температуры газа в характерных сечениях турбины (например в IУ сопловом аппарате t_л f(t_IУс.а.) или перед турбиной (Т^* _г) при полностью открытом клапане перепуска охлаждающего воздуха.

Сразу же после этого отключается блокировка механизма отключения системы охлаждения (например, по Р_н и оборотам n (об/мин), отключается охлаждение турбины и при тех же атмосферных условиях, на том же серийном двигателе без его переборки снимается характеристика t_л f(t_газ). Затем при постоянной температуре газа с характеристики (фиг.2) снимается перепад температур Δt_сд t_закр. t_откр., который заносится в паспорт двигателя.

Последовательность действий на определенных этапах в процессе эксплуатации для замера перепада температур Δt_экспл. на лопатке при выключенном и включенном перепусках охлаждающего воздуха такая же, как и при сдаточных испытаниях. Перепад температур измеряется во время эксплуатации через 25-100 ч (в соответствии с инструкцией на эксплуатацию) при той же измеренной температуре газа, например, в IУ с.а. что и при сдаточных испытаниях.

В результате сравнения перепадов температур, полученных в период эксплуатации серийного ГТД Δt_экспл., с перепадом температур, занесенным в паспорт двигателя Δt_сд., рассчитывается относительная разность температур

1) в случае, если относительный перепад температур

-

. +

эксплуатация серийного двигателя продолжается без его переборки;
2) в случае, если относительный перепад температур

>+

(что может произойти, например, в случае засорения внутренней полости лопатки), принимается решение о переборке двигателя для выяснения причин ухудшения параметров системы охлаждения;
3) в случае, если относительный перепад температур

<-

(что может произойти, например, в случае, если при закрытом клапане перепуска воздуха, клапан перепуска воздуха не прикрывается на необходимую величину), принимается решение о переборке двигателя для выяснения причин ухудшения параметров системы охлаждения турбины.

Технико-экономический эффект от применения способа заключается в повышении точности и надежности, снижении трудоемкости и стоимости комплексного контроля системы охлаждения турбины за счет предотвращения дефектов на охлаждаемых деталях системы охлаждения в результате своевременной переборки турбины и замены либо ремонта дефектных деталей.

Claims (1)

1. СПОСОБ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ТУРБИНЫ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ, включающий измерение температуры рабочих лопаток турбины, например, пирометром и выделение дефектной турбины, отличающийся тем, что, с целью повышения точности контроля на двигателе, оборудованном регулируемым перепуском охлаждающего воздуха, дополнительно измеряют температуру газа в характерном сечении турбины, температуру рабочих лопаток измеряют при включенном и выключенном перепусках охлаждающего воздуха, а дефектную турбину выделяют, исходя из следующего соотношения при постоянной температуре газа
   

   

   
   где ^Δtэкспл ^{и Δt}сд^{= t}выкл^-tвкл разность температур рабочих лопаток при выключенном и включенном перепусках охлаждающего воздуха в эксплуатации и на этапе сдаточного испытания;
   δ допустимая относительная разность температур.

Images