СПОСОБ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Российский патент 2007 года по МПК F01D21/14 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области машиностроения, преимущественно к области газотурбинных двигателей (ГТД), в том числе газотурбинных приводов (ГТП) газотурбинных установок (ГТУ).

Уровень техники

В связи с высокой стоимостью современных газотурбинных двигателей (ГТД), предназначенных для военной и гражданской авиации, а также газотурбинных установок (ГТУ), напряженными условиями их эксплуатации и непрерывным ростом требований к ресурсам крайне важна ресурсосберегающая эксплуатация двигателей. Эксплуатация первых поколений газотурбинных двигателей проводилась по установленному фиксированному ресурсу, после выработки которого двигатель снимался с эксплуатации (см. Н.Д.Кузнецов, В.И.Цейтлин. Эквивалентные испытания газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1976 г., стр.162). Такой способ эксплуатации являлся крайне неэффективным, т.к. во многих случаях даже при полной выработке установленного ресурса двигатель оставался работоспособным.

Более прогрессивным является способ эксплуатации в зависимости от технического состояния двигателя (см. Н.Д.Кузнецов, В.И.Цейтлин. Эквивалентные испытания газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1976 г., стр.163-169), заключающийся в том, что двигателю устанавливается ресурс по техническому состоянию (Р_э.т.с.), в процессе выработки которого выполняют периодические проверки с измерением основных параметров работы двигателя (температуры на входе в турбину, числа оборотов, времени работы на разных режимах) и осмотром газовоздушного тракта (ГВТ) двигателя для выявления дефектов по узлам и деталям и, при необходимости, их замену. При положительных результатах периодических проверок эксплуатационный ресурс продлевают на величину ΔР.

Периодические проверки проводятся через равные промежутки времени (ΔР) до исчерпания установленного ресурса по техническому состоянию Р_э.т.с. После выработки величины Р_э.т.с. двигатель снимается с эксплуатации независимо от его технического состояния.

Однако способ эксплуатации по техническому состоянию в пределах установленного ресурса не учитывает особенностей условий эксплуатации каждого конкретного двигателя, во многом обуславливающих его остаточный ресурс, и поэтому не позволяет с достаточной достоверностью оценить ресурсные возможности двигателя, и его съем с эксплуатации после выработки установленного ресурса часто является преждевременным и поэтому экономически неэффективным.

Раскрытие изобретения

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение достоверности оценки остаточного ресурса каждого конкретного ГТД и ГТП в зависимости от реальных условий его эксплуатации и тем самым увеличение его ресурса для повышения экономической эффективности эксплуатации.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе ресурсосберегающей эксплуатации газотурбинных двигателей по техническому состоянию его проточной части в зависимости от предельно допустимой величины повреждаемости П_доп. за ресурс Р_э.т.с., заключающемся в том, что в процессе выработки ресурса измеряют температуру Т на входе в турбину, число оборотов двигателя n, время τ работы на различных i режимах и проводят периодические проверки состояния газовоздушного тракта двигателя для выявления дефектов по узлам и деталям и, при необходимости, их замену, согласно изобретению предварительно перед эксплуатацией двигателя определяют за один час работы на i режимах повреждаемость П₁ наиболее "слабой" ресурсоопределяющей детали ,

где τ_i - время работы двигателя на i-ом режиме,

τ_pi - предельно допустимое время работы на i-ом режиме при напряжениях и температуре в ресурсоопределяющей детали, определенное по характеристике длительной прочности материала детали на i-ом режиме,

а при периодической проверке состояния газовоздушного тракта двигателя определяют за период эксплуатации суммарную повреждаемость ,

где К - количество режимов, на которых эксплуатировался газотурбинный двигатель,

сравнивают ее с величиной предельно допустимой повреждаемости П_доп, и при отсутствии замечаний по регламентным работам продолжают эксплуатацию, при выработке ресурса определяют суммарную повреждаемость П_∑, как сумму всех повреждаемостей, определенных во время периодических проверок, а при условии П_доп-П_∑≤П_{∑Рмакс.},

где П_{∑Рмакс.} - наибольшее значение суммарной повреждаемости за один из периодов ΔР эксплуатации,

увеличивают ресурс работы на величину ΔР.

Осуществление изобретения

Способ ресурсосберегающей эксплуатации газотурбинных двигателей по техническому состоянию его проточной части в зависимости от предельно допустимой повреждаемости П_доп за ресурс Р_э.т.с. заключается в том, что в процессе выработки ресурса измеряют температуру Т на входе в турбину, число оборотов двигателя n, время τ работы на различных i режимах и проводят периодические проверки состояния газовоздушного тракта двигателя для выявления дефектов по узлам и деталям и при необходимости их замену. Предварительно перед эксплуатацией двигателя определяют за один час работы на i режимах повреждаемость П₁ наиболее "слабой" ресурсоопределяющей детали ,

где τ_i - время работы двигателя на i-ом режиме,

τ_pi - предельно допустимое время работы на i-ом режиме при напряжениях и температуре в ресурсоопределяющей детали, определенное по характеристике длительной прочности материала детали на i-ом режиме.

При периодической проверке состояния газовоздушного тракта двигателя определяют за период эксплуатации суммарную повреждаемость

где К - количество режимов, на которых эксплуатировался газотурбинный двигатель.

Сравнивают ее с величиной предельно допустимой повреждаемости П_доп. При отсутствии замечаний по регламентным работам продолжают эксплуатацию, при выработке ресурса определяют суммарную повреждаемость П_∑, как сумму всех повреждаемостей, определенных во время периодических проверок. При условии П_доп-П_∑≤П_{∑Рмакс.},

где П_{∑Рмакс.} - наибольшее значение суммарной повреждаемости за один из периодов ΔР эксплуатации,

увеличивают ресурс работы на величину ΔР.

Пример конкретного выполнения

Наиболее "слабой" ресурсоопределяющей деталью двухконтурного двухвального двигателя 4-го поколения является рабочая лопатка турбины высокого давления (ТВД). Для нее заранее была определена повреждаемость за 1 час эксплуатации (П₁) на i-ых режимах эксплуатации:

Ресурс по техническому состоянию установлен: Р_э.т.с.=400 ч. Предельно допустимая величина повреждаемости за ресурс 400 ч равна: П_доп=0,258. Периодические проверки проводятся через 200 ч.

При эксплуатации двигателя проводилось измерение температуры на входе (Т_ВХ) и оборотов (n), определяющих режим эксплуатации, а также фиксировалось время работы на этих режимах (τ). Через период эксплуатации ΔР=200 часов суммарная повреждаемость составила:

(50 часов двигатель эксплуатировался на режимах, повреждаемость рабочей лопатки ТВД на которых ≈0).

Поскольку замечаний по регламентным работам не было и величина П_∑=0,0893<П_доп.=0,258, было разрешено эксплуатировать двигатель еще 200 часов.

За последующие ΔР=200 часов эксплуатации суммарная повреждаемость составила (П_∑)_ΔP=0,0757, а за суммарный эксплуатационный ресурс 400 часов накопленная повреждаемость составила П_∑=0,165. Проведенные периодические работы не выявили замечаний, препятствующих эксплуатации. Поскольку условие П_∑<П_доп выполнялось (0,165<0,258) двигатель не был снят с эксплуатации. Ему было разрешено продлить эксплуатацию еще на 200 часов, т.е. до ресурса 600 ч.

После завершения эксплуатации 600 ч суммарная повреждаемость составила П_∑=0,242. Дальнейшая эксплуатация была прекращена, т.к. полученное значение разницы между допустимой величиной повреждаемости и суммарной накопленной за ресурс 600 ч меньше, чем наибольшее значение за один из периодов эксплуатации:

0,258-0,242=0,016<0,0893.

Таким образом по предложенному способу эксплуатации ресурс двигателя был увеличен по сравнению с установленным Р_э.т.с. на 200 ч (в 1.5 раза).

Технико-экономическая или иная эффективность

Использование предлагаемого способа позволяет учесть реальные условия эксплуатации каждого конкретного двигателя и, следовательно, повысить достоверность оценки его технического состояния, что дает возможность увеличить ресурс и тем самым сэкономить материальные затраты.

Способ ресурсосберегающей эксплуатации газотурбинных двигателей по техническому состоянию его проточной части в зависимости от предельно допустимой величины повреждаемости за ресурс заключается в том, что в процессе выработки ресурса измеряют температуру на входе в турбину, число оборотов двигателя, время работы на режимах и проводят периодические проверки состояния газовоздущного тракта двигателя для выявления дефектов по узлам и деталям. Предварительно перед эксплуатацией двигателя определяют за один час работы на i режимах повреждаемость наиболее "слабой" ресурсоопределяющей детали. При периодической проверке состояния газовоздушного тракта двигателя определяют за период эксплуатации суммарную повреждаемость и сравнивают ее с величиной предельно допустимой повреждаемости и при отсутствии замечаний по регламентным работам определяют суммарную повреждаемость как сумму всех повреждаемостей, определенных во время периодических проверок. При условии, когда разность между предельно допустимой повреждаемостью и суммарной повреждаемостью меньше наибольшего значения суммарной повреждаемости за один из периодов эксплуатации, увеличивают ресурс работы двигателя.

Способ ресурсосберегающей эксплуатации газотурбинных двигателей по техническому состоянию его проточной части в зависимости от предельно допустимой повреждаемости П_доп за ресурс Р_э.т.с., заключающийся в том, что в процессе выработки ресурса измеряют температуру Т на входе в турбину, число оборотов двигателя n, время τ работы на различных i режимах и проводят периодические проверки состояния газовоздушного тракта двигателя для выявления дефектов по узлам и деталям и при необходимости их замену,

отличающийся тем, что предварительно перед эксплуатацией двигателя определяют за один час работы на i режимах повреждаемость П₁ наиболее "слабой" ресурсоопределяющей детали

где τ_i - время работы двигателя на i-м режиме;

τ_pi - предельно допустимое время работы на i-м режиме при напряжениях и температуре в ресурсоопределяющей детали, определенное по характеристике длительной прочности материала детали на i-м режиме,

а при периодической проверке состояния газовоздушного тракта двигателя определяют за период эксплуатации

суммарную повреждаемость

где К - количество режимов, на которых эксплуатировался газотурбинный двигатель,

сравнивают ее с величиной предельно допустимой повреждаемости П_доп. и при отсутствии замечаний по регламентным работам продолжают эксплуатацию, при выработке ресурса определяют суммарную повреждаемость П_Σ как сумму всех повреждаемостей, определенных во время периодических проверок, а при условии

П_доп-П_Σ≤П_{ΣРмакс.},

где П_{ΣРмакс.} - наибольшее значение суммарной повреждаемости за один из периодов ΔР эксплуатации,

увеличивают ресурс работы на величину ΔР.