СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМОВ ВЛАЖНОЙ ОЧИСТКИ ПРОТОЧНОГО ТРАКТА ГТД Российский патент 2015 года по МПК G01M15/14 

Изобретение относится к газотурбостроению и предназначено для определения рациональных параметров режимов влажной очистки проточного тракта газотурбинных двигателей (ГТД) на малоразмерной стендовой установке в заводских (цеховых) условиях без дорогостоящих опытно-промышленных испытаний двигателей.

Известно устройство и способ влажной очистки проточного тракта ГТД (патент GB 1258315, МПК F01D 25/00, опубл. 30.12.1971), выполненное в виде кольцевого коллектора, расположенного снаружи воздухозаборника двигателя и снабженного рядом форсунок. При этом сопла форсунок для впрыска жидкости-очистителя расположены радиально внутрь или в направлении вдоль канала по потоку воздуха.

Такое расположение сопел форсунок не обеспечивает требуемой эффективности и приемлемой экономичности очистки. Дело в том, что указанное расположение приводит к неравномерному распылу жидкости-очистителя по всему сечению проточного тракта; участки лопаток, расположенные ближе к втулочной части ротора и сама втулочная часть остаются неочищенными. Давление подачи промывочной жидкости должно быть существенным для того, чтобы «прошить» перпендикулярно весь воздушный поток в воздухозаборнике, что обусловливает большой расход жидкости. Кроме указанного устройство по патенту GB 1258315 имеет и другой недостаток - оно приводит к увеличению радиальных размеров воздухозаборника ГТД и его массы.

Указанных недостатков не имеет способ (Авт. св. СССР №1244994, МКИ F02C 7/00, опубл. 10.07.2004). В данном способе очистку проточного тракта ГТД осуществляют струей сжатого воздуха и жидкостью-очистителем. Направление выходных сопел форсунок, через которые подают жидкость-очиститель кольцевого контура связанно с высотой h воздушного тракта на входе в двигатель и длинной 1 расположения форсуночных отверстий от лопаток входного направляющего аппарата (ВНА) посредством угла наклона α упомянутых сопел форсунок к образующей проточного тракта.

$$\alpha =\pm {90}^{\circ }-arctg(\frac{h}{l})(1)$$

Величина угла α зависит от скорости жидкости V_ж с учетом направления и величины вектора скорости V_в воздушного потока.

Данному способу влажной очистки присущ один существенный недостаток, заключающийся в том, что для определения рациональных параметров режимов проведения очистки необходимы предварительные дорогостоящие опытно-промышленные испытания натурных двигателей, при которых должны определяться основные ее параметры: давление подачи (или перепад давления) жидкости-очистителя, время проведения очистки, эффективность применяемых для очистки жидкостей, расход жидкостей и некоторые другие параметры.

Задача изобретения - определить рациональные параметры режимов влажной очистки проточного тракта ГТД простым и недорогим способом на малоразмерной стендовой установке в цеховых (заводских) условиях с тем, чтобы исключить дорогостоящие опытно-промышленные испытания натурных двигателей, проводимые для указанных целей.

Решение указанной задачи достигается тем, что в способе определения рациональных параметров режимов влажной очистки проточного тракта ГТД, включающем обдувку струей сжатого воздуха и подачу жидкости-очистителя, согласно изобретению, определение параметров проводят на малоразмерной стендовой установке при очистке реальных деталей, например, кассеты образцов в виде сектора лопаток, взятых из направляющего аппарата компрессора, с предварительным закреплением их на торце смесительной камеры установки, имитирующей проточную часть двигателя, при этом обдувку воздухом образцов осуществляют со скоростью, равной скорости воздушного потока в проточной части двигателя на режиме его работы, принятом для проведения очистки, с одновременной подачей в смесительную камеру жидкости-очистителя.

Для обеспечения требуемой скорости воздушного потока в смесительной камере стендовой установки, воздух в нее подают под перепадом давления, определяемым из соотношения

$$\Delta P_{в(i)}=\frac{8F_S^2\cdot V_{в(i)}^2\cdot {\rho }_{в}}{{\pi }^2{d}_{в}^4},(2)$$

а жидкость-очиститель - под перепадом давления, рассчитываемым по зависимости

$$\Delta P_{ж(i)}=\frac{{\varphi }_{с}\cdot {\rho }_{ж}\cdot G_{в(i)}^2\cdot {\sin }^2(arctg(h/l))}{2{\rho }_{в}^2\cdot F_{в}^2},(3)$$

Подвод сжатого воздуха в смесительную камеру установки осуществляют через форсунку с диаметром проходного сечения, определяемым из соотношения

$$d_{в}=\sqrt{\frac{4F_S}{\pi \cdot k}},(4)$$

а подачу жидкости-очистителя в смесительную камеру производят через форсунки в количестве, рассчитываемом по зависимости

$$n=\frac{{\gamma }_{к}}{{\gamma }_{ф}},(5)$$

и с диаметром проходного сечения, определяемым по формуле

$$d_{ж}=\sqrt{\frac{4F_S\cdot F_{в}\cdot {\rho }_{в}\cdot t_d}{\pi \cdot n\cdot {\varphi }_{с}\cdot {\mu }_{ж}\cdot G_{в(i)}\cdot \sin (arctg(h/l))}}.(6)$$

В расчетных зависимостях (2)…(6) имеем:

ρ_в и ρ_ж - плотность воздуха и жидкости-очистителя, соответственно, кг/м³;

µ_в и µ_ж - коэффициент расхода воздуха и жидкости, соответственно;

φ_с=0,70…0,96 (см., например, Кулагин В.В. Теория, расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок. Учеб. пособие. 2-е изд., исправл. - М.: Машиностроение, 2003. - с.105);

V_в(i) - скорость воздушного потока в воздухозаборнике двигателя на i-м режиме его работы, м/с;

G_в(i) - массовый расход воздуха через двигатель на i-м режиме его работы, кг/с;

d_в и d_ж - диаметр проходного сечения форсунок для подачи в смесительную камеру, соответственно, сжатого воздуха и жидкости очистителя, м;

F_в и F_S - площадь поперечного сечения воздухозаборника двигателя и смесительной камеры стендовой установки, соответственно, м²;

h и l - высота омываемой поверхности образцов лопаток и расстояние от кассеты образцов до оси жидкостных форсунок, соответственно, м;

n - количество жидкостных форсунок;

t_d=(0,8÷1,5)·10^-3 м/с - динамический слой жидкости-очистителя (см. например, Силаев Б.М., Мальцев Е.H. Теоретическое обоснование конструктивной схемы устройства для промывки газовоздушного тракта ГТД/Вестник СГАУ, №3(19), 4.2 - Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2009 - С.167-171);

γ_к - угол сектора кассеты образцов-лопаток;

γ_ф=10°-20° - угол распыла струйной форсунки (см. например, А.П.Васильев, В.М.Кудрявцев и др. «Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей», М.: «Высшая школа», 1967 г., стр.228);

$$к=\frac{F_S}{F_{S(Ф)}}$$ - задаваемый (принимаемый) при расчете и проектировании стендовой установки коэффициент отношения площади F_S поперечного сечения смесительной камеры установки к площади F_S(Ф) поперечного сечения отверстия форсунки подвода сжатого воздуха.

Расчетные соотношения (2)…(4) и (6) получены на основе совместного решения уравнений неразрывности потоков в воздухозаборнике двигателя и в смесительной камере стендовой установки. Зависимость (5) получена из условия охвата всей очищаемой площади лопаток впрыскиваемой в воздушный поток жидкостью.

Изобретение поясняется чертежом - фиг.1, где представлена принципиальная конструктивная и пневмогидравлическая схема малоразмерной стендовой установки, с помощью которой реализуется способ.

Установка включает смесительную камеру 1, на торце которой закреплена кассета образцов - лопаток 2, другой торец смесительной камеры образует форсунку 3. Пневмосистема состоит из форсунки 3 и измерительно-регулировочной аппаратуры, содержащей кран регулировочный 4, фильтр 5, влагомаслоотделитель 6 и кран перекрывной 7, датчик давления 16. На стенке камеры закреплены форсунки 8. Гидросистема установки состоит из насоса 9, бака 10 с жидкостью, электронагревателя 11, фильтров 12, редукционного клапана 13 и двухпозиционного крана 14; контроль давления жидкости перед форсунками осуществляется датчиком давления 15. Установка снабжена датчиками 17 и 18, а также вентилятором 19.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. На торец смесительной камеры 1 закрепляют кассету образцов-лопаток 2; с другого ее торца подводится сжатый воздух через пневмосистему. Для обеспечения требуемой скорости воздушного потока в смесительной камере 1 стендовой установки, воздух в нее подают под перепадом давления, определяемым из соотношения (2), через форсунку 3 с диаметром проходного сечения, рассчитываемым по формуле (4).

Через форсунки 8 осуществляют подвод жидкости-очистителя в камеру 1 под перепадом давления, определяемым по зависимости (3), при этом диаметр форсунки рассчитывают по формуле (6), с учетом зависимости (1), а количество форсунок 8 определяют по соотношению (5).

В зависимости от расхода воздуха, имитирующего любой из возможных режимов работы двигателя, например холодные прокрутки, режим «малый газ», номинальный режим и др., изменение подачи жидкости-очистителя осуществляется через гидросистему установки. Контроль давления в смесительной камере на входе и перед лопатками осуществляют датчиком давления 16. Для оценки влияния температуры жидкости-очистителя на продолжительность и степень очистки предусмотрен нагрев жидкости в баке 10 с помощью электронагревателя 11, при этом контроль температуры в баке производят датчиками 17, а воздуха и воздушно-жидкостного потока - датчиками 18. При работе стендовой установки воздушно-жидкостная среда с частицами пленки загрязнений в процессе очистки удаляется вентилятором 19.

Таким образом, предлагаемый способ определения рациональных параметров режимов влажной очистки проточного тракта газотурбинных двигателей - давление подачи (или перепад давления) жидкости-очистителя, время (продолжительность) проведения очистки, эффективность применяемых для очистки жидкостей и их расход - при выполнении указанной операции на малоразмерной стендовой установке устраняет проблему получения данных по очистке путем проведения дорогостоящих опытно-промышленных испытаний натурных двигателей, что в конечном счете принесет помимо технического, существенный экономический эффект.

Изобретение относится к газотурбостроению и предназначено для определения рациональных параметров режимов влажной очистки проточного тракта газотурбинных двигателей (ГТД) на малоразмерной стендовой установке в заводских (цеховых) условиях. Способ включает обдувку струей сжатого воздуха и подачу жидкости-очистителя. Рациональные параметры определяют на малоразмерной стендовой установке, помещая реальные образцы в смесительную камеру, например, кассеты образцов в виде сектора лопаток, взятых из направляющего аппарата компрессора, с предварительным закреплением их на торце смесительной камеры, имитирующей проточную часть двигателя, при этом обдувку воздухом образцов осуществляют со скоростью, равной скорости воздушного потока в проточной части двигателя на режиме его работы, принятом для проведения очистки, с одновременной подачей в смесительную камеру жидкости-очистителя. Технический результат - упрощение способа, исключающего дорогостоящие опытно-промышленные испытания натурных двигателей. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения рациональных параметров режимов влажной очистки проточного тракта ГТД, включающий обдувку струей сжатого воздуха и подачу жидкости-очистителя, отличающийся тем, что параметры определяют на малоразмерной стендовой установке, помещая реальные образцы в смесительную камеру, например, кассеты образцов в виде сектора лопаток, взятых из направляющего аппарата компрессора, с предварительным закреплением их на торце смесительной камеры, имитирующей проточную часть двигателя, при этом обдувку воздухом образцов осуществляют со скоростью, равной скорости воздушного потока в проточной части двигателя на режиме его работы, принятом для проведения очистки, с одновременной подачей в смесительную камеру жидкости-очистителя.

2. Способ определения рациональных параметров режимов влажной очистки проточного тракта ГТД по п.1, отличающийся тем, что воздух в смесительную камеру подают под перепадом давления, определяемым из соотношения
$$\Delta P_{в(i)}=\frac{8F_S^2\cdot V_{в(i)}^2\cdot {\rho }_{в}}{{\pi }^2{d}_{в}^4}$$
а жидкость-очиститель - под перепадом давления, рассчитываемым по зависимости
$$\Delta P_{ж(i)}=\frac{{\varphi }_{с}\cdot {\rho }_{ж}\cdot G_{в(i)}^2\cdot {\sin }^2(arctg(h/l))}{2{\rho }_{в}^2\cdot F_{в}^2}$$ ,
где
ρ_в и ρ_ж - плотность воздуха и жидкости-очистителя, соответственно, кг/м³;
φ_с - коэффициент потерь скорости в смесительной камере, равный 0.70..096;
V_в(i) - скорость воздушного потока в воздухозаборнике двигателя на i-м режиме его работы, м/с;
G_в(i) - массовый расход воздуха через двигатель на i-м режиме его работы, кг/с;
F_в и F_S - площадь поперечного сечения воздухозаборника двигателя и смесительной камеры стендовой установки, соответственно;
h и l - высота омываемой поверхности образцов лопаток и расстояние от кассеты образцов до оси жидкостных форсунок, соответственно, м.

3. Способ определения рациональных параметров режимов влажной очистки проточного тракта ГТД по пп.1 или 2, отличающийся тем, что подвод воздуха в смесительную камеру установки осуществляют через форсунку с диаметром проходного сечения, определяемым из соотношения
$$d_{в}=\sqrt{\frac{4F_S}{\pi \cdot k}}$$ ,
а подачу жидкости-очистителя в смесительную камеру производят через форсунки в количестве, рассчитываемом по зависимости
$$n=\frac{{\gamma }_{к}}{{\gamma }_{ф}}$$ ,
и с диаметром проходного сечения, определяемым по формуле
$$d_{ж}=\sqrt{\frac{4F_S\cdot F_{в}\cdot {\rho }_{в}\cdot t_d}{\pi \cdot n\cdot {\varphi }_{с}\cdot {\mu }_{ж}\cdot G_{в(i)}\cdot \sin (arctg(h/l))}}$$ .
В приведенных расчетных зависимостях параметры имеют следующие значения:
ρ_в и ρ_ж - плотность воздуха и жидкости-очистителя, соответственно, кг/м³;
µ_в и µ_ж - коэффициент расхода воздуха и жидкости, соответственно;
φ_с - коэффициент потерь скорости в смесительной камере, равный φ_с=0,70…0,96;
V_в(i) - скорость воздушного потока в воздухозаборнике двигателя на i-м режиме его работы, м/с;
G_в(i) - массовый расход воздуха через двигатель на i-м режиме его работы, кг/с;
d_в и d_ж - диаметр проходного сечения форсунок для подачи в смесительную камеру, соответственно, сжатого воздуха и жидкости очистителя, м;
F_в и F_S - площадь поперечного сечения воздухозаборника двигателя и смесительной камеры стендовой установки, соответственно, м²;
h и l - высота омываемой поверхности образцов лопаток и расстояние от кассеты образцов до оси жидкостных форсунок, соответственно, м;
n - количество жидкостных форсунок;
t_d=(0,8÷1,5)·10^-3 м/с - динамический слой жидкости-очистителя;
γ_к - угол сектора кассеты образцов-лопаток;
γ_ф=10°÷20° - угол распыла струйной форсунки;
$$к=\frac{F_S}{F_{S(Ф)}}$$ - коэффициент отношения площади F_S поперечного сечения смесительной камеры установки к площади F_S(Ф) поперечного сечения проходного сечения отверстия форсунки подвода сжатого воздуха.