СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДАВЛЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ЛЬДА НА КОНСТРУКЦИЯХ В ВОЗДУХОЗАБОРНИКЕ ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 2016 года по МПК F02C7/47 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области техники, связанной с системами для подавления образования льда на конструкциях секции воздухозаборника турбомашины, в частности осевого компрессора газовой турбины.

Предпосылки создания изобретения

Газовые турбины для транспортных средств или стационарных установок обычно оснащаются компрессором, который обеспечивает всасывание окружающего воздуха и повышение его давления до сравнительно высокого уровня в соответствии с техническими требованиями к процессу сгорания в газовой турбине. При этом сжатый воздух направляется в камеру сгорания, смешивается с топливом в ней и воспламеняется. Сжатые, обладающие большой энергией газообразные продукты сгорания из камеры сгорания проходят в турбину, в которой они расширяются, выполняя механическую работу. Используются осевые или радиальные компрессоры.

Когда температура воздуха повышается при его сжатии, в воздухозаборной системе компрессора давление сначала падает, а затем повышается за первой ступенью компрессора. По этой причине при особенно низкой температуре окружающего воздуха может быть достигнута температура воздуха, представляющая собой температуру точки росы, и на поверхностях входных конструкций лед образуется вследствие конденсации влаги. Данный механизм льдообразования обычно проявляется в зонах холодного климата в мире. Лед образуется в основном на деталях статора входной части (раструба) компрессора, на входном направляющем аппарате (IGV) и частично на лопатках ротора первой ступени. За первой ступенью компрессора температура воздуха быстро повышается, в результате чего обеспечивается защита компонентов расположенных ниже по потоку рядов лопаток компрессора от льдообразования. Наличие льда на поверхности данных конструкций приводит к дополнительному падению давления, что приводит к снижению характеристик газотурбинной установки. В худшем случае куски льда отделяются от поверхности, например от поверхности входного направляющего аппарата, и вызывают повреждения, в особенности лопаток ротора первой ступени компрессора.

Следовательно, существует необходимость в решении, обеспечивающем эффективное подавление образования льда на указанных конструктивных элементах или удаление отложений льда, если данные отложения льда уже образовались на поверхности, и предотвращение их повторного образования.

В области техники, связанной с работой компрессоров, известны различные системы для подавления льдообразования или системы для удаления отложений льда.

Температуры точки росы газопаровых смесей доступны из прихрометрических диаграмм/таблиц. Согласно этим данным обычно используются два типа датчиков, которые или отслеживают условие создания льда, или обнаруживают нарастание льда.

Известное решение для защиты наружных поверхностей конструкций на входе компрессора от обледенения, используемое на практике в области стационарных газотурбинных силовых установок/электростанций, включает в себя использование противообледенительной системы с отбором воздуха из компрессора (то есть с отбором горячего воздуха из компрессора и перемещением его во входную зону для нагрева) или применение теплообменной системы с горячей водой, или размещение резистивных нагревательных элементов на стенке статора во входной секции.

Однако к недостаткам данных систем относятся снижение характеристик газовой турбины (потери до 0,3%), потребность в дополнительных инвестиционных затратах, специальные системы мониторинга, эксплуатационная технологичность, связанная с повышенными затратами, и ограниченная применяемость.

Опыт эксплуатации показывает, что процесс нарастания льда на первой ступени компрессора может занять несколько секунд, прежде чем противообледенительная система начнет эффективно работать.

В патенте США 4732351 раскрыто устройство для подавления образования льда на наружной поверхности различных изделий, в частности конструкций летательных аппаратов. В соответствии с данным решением пьезоэлектрический материал наносят на соответствующую поверхность, которая должна поддерживаться свободной от льда. Доступный источник питания адаптирован так, что, каким бы ни был источник, он «преобразуется» в переменный ток. Предусмотрен микропроцессор, который в соответствии с соответствующими параметрами используемого материала обеспечивает получение тока с надлежащей амплитудой, продолжительностью, длиной и формой волны, который обеспечивает количество перемещения для деформации пьезоэлектрического материала, необходимой для предотвращения льдообразования. Данный механизм подавления образования льда или удаления льда основан на принудительной вибрации самого пьезоэлектрического материала. Данное устройство требует электропитания, подводимого к целевой конструкции. Подача электропитания обычно осуществляется посредством электрических проводов.

Хорошо известно явление, заключающееся в том, что во время работы компрессора синхронные и асинхронные колебания вращающихся лопаток возбуждаются вследствие аэродинамических эффектов. Резонансы в лопатке могут привести к значительным проблемам, подобных образованию трещин вследствие вибраций, которое представляет собой разрушение лопаток компрессора, угрожающее всей системе.

В патенте Швейцарии 704127 раскрыто решение, связанное с демпфированием колебаний лопаток в турбомашинах посредством использования пьезоэлектрического эффекта. Данное решение основано на идее преобразования механической энергии колебаний колеблющейся лопатки в электрическую энергию и последующего превращения данной генерированной электрической энергии в тепловые потери. Кроме того, данная первая операция преобразования механической энергии в электрическую энергию выполняется посредством использования пьезоэлектрического эффекта, а именно посредством прочной установки по меньшей мере одного пьезоэлектрического элемента в лопатке, вибрации которой должны быть демпфированы. В результате колебаний лопатки пьезоэлектрический элемент деформируется, тем самым создается электрическое напряжение. При встраивании указанного элемента в электрическую сеть с омическим сопротивлением созданное электрическое напряжение вызывает электрический ток, обеспечивающий омическое тепловыделение в соединенной сети.

Сущность изобретения

Техническая задача настоящего изобретения состоит в разработке способа и устройства для подавления образования льда на поверхности входных конструкций турбомашины, в частности компрессора газовой турбины, которые позволяют избежать недостатков известных решений, просты в применении и имеют широкую применяемость.

Один аспект настоящего изобретения включает в себя подавление льдообразования на поверхности конструкции, а именно входной конструкции компрессора, посредством использования вибрационных характеристик указанной конструкции для генерирования электрической энергии посредством пьезоэлектрического элемента и преобразования данной электрической энергии в тепловую энергию и использования данной тепловой энергии для подавления образования льда на данной конструкции.

Согласно изобретению предлагается способ подавления льдообразования на поверхности конструкции турбомашины во время ее работы, при этом способ включает в себя по меньшей мере этапы пьезоэлектрического преобразования механической энергии колебаний указанной конструкции в электрическую энергию, преобразования генерированной электрической энергии в тепловую энергию и подвода данной тепловой энергии к по меньшей мере части конструкции.

В соответствии с другим аспектом данного изобретения колебание первой конструкции, а именно вращающейся конструкции, используют для генерирования электрической энергии посредством пьезоэлектрического элемента и для передачи по меньшей мере части данной энергии посредством бесконтактной передачи энергии непосредственно или опосредованно второй конструкции, в частности невращающейся конструкции, для преобразования переданной энергии в тепловую энергию и для ее использования для подавления образования льда на данной второй конструкции.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления вращающейся конструкцией являются вращающиеся лопатки первой ступени компрессора и второй конструкцией являются лопатки входного направляющего аппарата и/или части статора раструба.

В соответствии с другим вариантом осуществления вибрационные характеристики вращающейся конструкции используются для генерирования электрического сигнала посредством пьезоэлектрического элемента, данный сигнал передается системе подачи внешней энергии. На основе данного сигнала генерируется электрическая энергия, данная электрическая энергия передается посредством бесконтактной передачи энергии по меньшей мере одному или всем невращающимся и/или вращающимся конструкциям, которые должны поддерживаться свободными ото льда. В принимающих конструкциях переданная энергия преобразуется в тепловую энергию для подавления льдообразования на данных конструкциях.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления преобразование электрической энергии в тепловую энергию осуществляется посредством омического сопротивления.

Объектом изобретения является также устройство для реализации вышеупомянутого способа, содержащее по меньшей мере корпус (5) с входной секцией, состоящей из раструба (1), ротор (4), окруженный корпусом (5), ряд лопаток (2) входного направляющего аппарата, соединенных с корпусом (5), и ряд вращающихся лопаток (3), соединенных с ротором (4), при этом раструб (1), и/или по меньшей мере одна лопатка (2) входного направляющего аппарата, и/или по меньшей мере одна вращающаяся лопатка (3) снабжены пьезоэлектрическим элементом (6) и электрической цепью (11), соединенной с данным пьезоэлектрическим элементом (6).

Другой аспект настоящего изобретения включает в себя пьезоэлектрический элемент, подлежащий применению на конструкции, а именно на входной конструкции компрессора, для генерирования электрической энергии из механической энергии и для преобразования данной электрической энергии в тепловую энергию для подавления образования льда на поверхности данной конструкции.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления пьезоэлектрический элемент соединен с электрической цепью, и данная электрическая цепь дополнительно содержит по меньшей мере омическое сопротивление и/или передатчик.

В соответствии с другим аспектом изобретения электрическая цепь, по меньшей мере содержащая пьезоэлектрический элемент, омическое сопротивление и передатчик, применена на первой конструкции, и электрическая цепь, по меньшей мере содержащая приемник и омическое сопротивление, применена на второй конструкции, при этом передатчик первой конструкции и приемник второй конструкции выполнены с возможностью бесконтактной передачи энергии.

Первая конструкция предпочтительно представляет собой вращающуюся конструкцию, в частности вращающиеся лопатки первой ступени, и вторая конструкция предпочтительно представляет собой невращающуюся конструкцию, такую как входной направляющий аппарат и/или части статора раструба.

В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения часть вращающейся конструкции снабжена электрической цепью, содержащей пьезоэлектрический элемент, омическое сопротивление и передатчик, передатчик выполнен с возможностью передачи сигнала системе подачи внешней энергии, при этом система подачи внешней энергии содержит приемник для приема указанного сигнала, источник электропитания для подачи питания и передатчик для бесконтактной передачи энергии приемнику, при этом по меньшей мере одна, предпочтительно все конструкции, которые должны поддерживаться свободными ото льда, снабжены электрической цепью, по меньшей мере содержащей приемник, предназначенный для получения электрической энергии от системы подачи внешней энергии посредством бесконтактной передачи энергии, и омическое сопротивление, предназначенное для преобразования полученной энергии в тепловую энергию для нагрева указанных конструкций.

В соответствии с еще одним аспектом более одного пьезоэлектрического элемента применено на отдельной конструкции, при этом указанные более одного пьезоэлектрические элементы настроены на одну или несколько резонансных частот. Данная мера позволяет использовать различные резонансные частоты «обледеневших» конструкций.

В соответствии с еще одним аспектом пьезоэлектрический элемент (6) и электрическая цепь (11), соединенная с пьезоэлектрическим элементом (6), выполнены в виде модуля, и по меньшей мере один подобный модуль применен на одной из конструкций (1, 2, 3).

В соответствии с другим аспектом модуль дополнительно содержит омическое сопротивление (7) и/или передатчик (8).

В соответствии с еще одним аспектом электрическая цепь (12), содержащая по меньшей мере сопротивление (7) и приемник (10), выполнена в виде модуля, и по меньшей мере один подобный модуль применен на одной из конструкций (1, 2, 3).

Краткое описание чертежей

Дополнительные характеристики и преимущества изобретения станут более очевидными из описания предпочтительных вариантов осуществления изобретения, проиллюстрированных посредством неограничивающего примера на сопровождающих чертежах.

Фиг. 1 представляет собой схематическое изображение входной части осевого компрессора в соответствии с уровнем техники;

фиг. 2 показывает более подробно входную зону осевого компрессора в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг. 3а, 3b иллюстрируют альтернативные варианты осуществления изобретения.

Подробное описание изобретения

Фиг. 1 схематически показывает входную секцию осевого компрессора газотурбинной установки, содержащего корпус 5 и ротор 4, окруженный указанным корпусом 5. Ротор 4 вращается вокруг продольной оси 14. Между внутренним контуром корпуса 5 и наружным контуром ротора 4 образован кольцевой проточный канал. Вращающиеся лопатки, присоединенные к ротору 4, и направляющие лопасти, присоединенные к корпусу 5, попеременно выступают в данный проточный канал. Ссылочная позиция 2 на фиг. 1 относится к лопаткам входного направляющего аппарата и ссылочная позиция 3 относится к вращающимся лопаткам первой ступени компрессора. Окружающий воздух поступает в компрессор через раструб 1. Дополнительные компоненты, подобные системе фильтрации и распоркам, могут быть расположены в данной секции.

При номинальном режиме работы компрессора с частотой Ω вращения ротора 4 вращающиеся диски компрессора в сборе конструктивно представляют собой свободную от резонанса систему в условиях гармонических вращательных возбуждений kΩ, где k означает порядок моторной формы, изменяющийся как 1, 2, 3, … ∞. Вращательное возбуждение определяет неравномерное распределение давления воздуха вдоль направления вдоль окружности облопаченных дисков компрессора. На входе компрессора данное изменение давления обусловлено главным образом асимметричной геометрией входной части, числом распорок раструба и лопаток 2 входного направляющего аппарата, а также другими причинами, подобными, например, овализации корпуса 5 компрессора. Кроме того, возбуждение вращающихся лопаток 3 может вызываться несинхронным возбуждающим воздействием, подобным акустическому возбуждению, которое имеет место довольно редко. В процессе проектирования используют диаграмму Кэмпбелла для определения возможного возбуждения вращающегося облопаченного диска. Кроме того, в зависимости от принципов проектирования несинхронное возбуждение также может рассматриваться на диаграмме Кэмпбелла. На диаграмме Кэмпбелла при номинальной частоте Ω_n вращения собственная частота ω₁ лопатки при форме i колебаний должна находиться между линиями синхронного и несинхронного возбуждения для избежания резонансов. Обычно вращающиеся лопатки выполнены с возможностью работы без резонанса до 6-го или даже более высокого порядка k моторной формы. Возбуждение невращающихся направляющих лопаток 2 может быть вызвано несинхронным возбуждающим воздействием, если частота е возбуждения равна собственной частоте ω_vi колебаний при форме i колебаний как критерию возбуждения отдельных лопаток и направляющих лопаток.

Как было упомянуто ранее в описании, отложения льда образуются в основном на поверхностях раструба 1, лопатках 2 входного направляющего аппарата и в меньшей степени на вращающихся лопатках 3 первой ступени компрессора. Что касается колебаний лопаток, то лед, распределенный на данных конструкциях, вызывает увеличение их общей массы на Δm и уменьшение собственной частоты ω_i,Δm согласно $${\omega }_{i,\Delta m}=\frac{1}{2\pi }\sqrt{\frac{k_i}{m_i+\Delta m},}$$

где k_i и m_i обозначают эффективную жесткость и массу, участвующую в колебаниях с формой i колебаний, которые могут быть определены посредством известных аналитических формул для основной формы i=1 колебаний, в которых лопатка рассматривается как одна степень свободы посредством эквивалентной системы масса-пружина. Для форм колебаний, превышающих 1, может быть применен метод конечных элементов (МКЭ), и при этом частота колебаний лопатки со льдом выражается формулой

$${\omega }_{i,\Delta m}=\frac{1}{2\pi }\sqrt{\frac{k_i}{m_{i,M+\Delta m}}}$$ , i>1.

В теории МКЭ эффективная модальная жесткость и масса, участвующая в колебаниях с формой i колебаний, выражаются как

k_i={ϕ_i}^T [K(x,y,z)] {ϕ_i}

m_i,M+Δm={ϕ_i}^T ([M(x,y,z)]+[Δm(x,y,z)]) {ϕ_i},

где k(x,y,z), M(x,y,z) представляют собой глобальную жесткость механического компонента, зависящую от его трехмерной геометрии (x,y,z) и механических свойств, подобных модулю Юнга (модулю упругости при растяжении), коэффициенту Пуассона и плотности материала, зависящих от других физических параметров, подобных температуре Т и частоте Ω вращения. В вышеприведенных уравнениях (3)-(4) вектор {ϕ₁} представляет собой форму i колебаний (относительную вибрацию системы), полученную из расчета свободных колебаний конечного элемента, приводимого в открытых литературных источниках.

Матрицу [Δm(x,y,z)] масс льда получают из опыта эксплуатации или посредством использования моделирования многофазных систем с применением методов вычислительной газодинамики (CFD) для определения процесса нарастания на компоненте, представляющем интерес. Карта процесса нарастания льда может быть создана с использованием экспериментальных и численных методов по отношению к вибрационному состоянию компонента машины, представляющего интерес.

Поскольку лед нарастает на вращающейся лопатке 3 компрессора, ее частота уменьшается и совпадает с ближайшим гармоническим или негармоническим возбуждением. Например, частота ω₂ лопатки для вращающейся лопатки со льдом «входит в резонанс» с 3Ω порядком моторной формы или (ε+2Ω) при номинальной частоте Ω вращения.

Фиг. 2 иллюстрирует вариант осуществления устройства для подавления льдообразования на конструкциях (1, 2, 3) входной части осевого компрессора в соответствии с настоящим изобретением. Данный компрессор может представлять собой неотъемлемую часть стационарной газотурбинной установки. Компрессор содержит корпус 5 и ротор 4. Как правило, осевые компрессоры представляют собой многоступенчатые турбомашины с некоторым числом рядов вращающихся лопаток, соединенных с ротором 4, и неподвижными направляющими лопатками, соединенными с корпусом 5. Фиг. 2 схематически показывает первую ступень компрессора с лопатками 2 входного направляющего аппарата и вращающимися лопатками 3 на роторе 4. Между корпусом 5 и ротором 4 расположен кольцевой проточный канал для сжатия воздуха, который поступает в компрессор через раструб 1. По меньшей мере одна лопатка 3 компрессора снабжена пьезоэлектрическим элементом 6, который прочно встроен в профиль данной по меньшей мере одной лопатки 3, например, посредством пайки или сварки. В лопатке 3 пьезоэлектрический элемент соединен с цепью 11, включающей в себя сопротивление 7 и передатчик 8.

Во время работы частота вращающейся лопатки 3 со льдом совпадает с гармоническим и/или негармоническим возбуждением, и профиль начинает вибрировать. Колебания передаются в виде механической энергии пьезоэлектрическому элементу 6, деформация которого приводит к возникновению электрического напряжения. В результате этого электрический ток течет в цепи 11 через сопротивление 7 и передатчик 8. Сопротивление 7 выделяет тепло для нагрева вращающейся лопатки 3. Передатчик 8, выполненный с возможностью бесконтактной передачи энергии, передает часть энергии, вырабатываемой пьезоэлектрическим элементом 6, через приемник 10 электрической цепи 12, встроенной в лопатку 2 и раструб 1. Цепи 12 в направляющей лопатке 2 и раструбе 1 снабжены указанным приемником 10, предназначенным для получения энергии от передатчика 8, и сопротивлением 7, предназначенным для преобразования полученной энергии в тепло.

Все сопротивления 7 должны вырабатывать тепловую энергию, которая равна скрытой теплоте, необходимой для обеспечения перехода льда из твердого состояния в жидкое состояние, которая может быть определена на основе опыта эксплуатации или получена на основе анализа с использованием методов вычислительной газодинамики (CFD).

Выработку тепловой энергии можно регулировать посредством объема пьезоэлектрического материала 6, заделанного в лопатку, и величин сопротивлений.

В соответствии с дополнительным вариантом осуществления изобретения цепи 11 с элементами из пьезоэлектрического материала 6 также могут быть встроены в некоторые или во все направляющие лопатки 2 и/или в конструкции раструба 1, поскольку ожидается, что данные конструкции также будут подвергаться резонансным колебаниям в «условиях обледенения».

Кроме того, данные невращающиеся конструкции 1, 2 могут быть выполнены для случая резонанса для работы в «условиях обледенения».

Если энергия, вырабатываемая пьезоэлектрическим элементом 6 вследствие амплитуд колебаний лопатки 3, слишком мала или вырабатывается в течение промежутка времени, слишком короткого для эффективного нагрева соответствующих конструкций 1, 2, 3, то предлагается дополнительный вариант осуществления изобретения, основанный на использовании устройства 16 подачи дополнительной внешней энергии, как показано на фиг. 3а и 3b. В этом случае некоторое число вращающихся лопаток 3, например от одной до пяти, снабжено пьезоэлектрическим элементом 6, при этом данный элемент действует в качестве датчика льдообразования. Поскольку оснащенная вращающаяся лопатка 3 начинает колебаться с резонансной частотой, представляющей интерес, встроенный пьезоэлектрический элемент 6 генерирует электрическое напряжение, в результате чего в подключенной электрической цепи 17 течет ток. В зависимости от параметров данного тока передатчик 8 передает сигнал 18 приемнику 10′ указанного устройства 16 подачи внешней энергии. Помимо приемника 10′ устройство 16 подачи внешней энергии состоит из системы 19 питания, предназначенной для подачи электрической энергии, и передатчика 13, предназначенного для передачи данной энергии приемнику 10 нагревательной цепи 12. Дополнительные элементы, которые могли бы улучшить эксплуатационные характеристики всей системы, могут быть включены в данное устройство 16 подачи внешней энергии в зависимости от конструктивных и функциональных требований, подобных накоплению энергии, аккумулированию энергии и другим. Передатчик 13 устройства 16 внешней энергии передает электрическую энергию беспроводным способом всем приемникам 10 нагревательных цепей 12, которые встроены в те конструкции, которые подвергаются риску льдообразования, такие как раструб 1, направляющие лопатки 2 статора, вращающиеся лопатки 3, как проиллюстрировано на фиг. 3b. В зависимости от требований к конструкции и требований по нагрузке цепи 12 могут быть прикреплены к наружным или внутренним поверхностям конструкций 1, 2, 3 или встроены в стенку данных конструкций. Посредством сопротивлений 7 цепей 12 полученная электрическая энергия преобразуется в тепловую энергию, которая вызывает таяние льда на оснащенной конструкции. Вместо сопротивлений 7 другие эквивалентные элементы могут быть применены для улучшения данного процесса.

Как известно само по себе, см., например, упоминаемый патент Швейцарии 704127, дополнительные электрические компоненты, подобные катушкам индуктивности и конденсатором, могут быть использованы для увеличения потока энергии, например, посредством образования резонансной цепи.

Можно обойтись без сопротивления 7, вырабатывающего тепловую энергию, в цепи 11 во вращающихся лопатках 3, если тепло, выделяемое расположенными выше по потоку, невращающимися конструкциями 1, 2, выделяется в количестве, достаточно большом для нагрева проходящего воздуха в такой степени, что льдообразование на поверхностях конструкций, расположенных ниже по потоку, подавляется.

Кроме того, могут быть приняты во внимание различные резонансные частоты конструкций, подверженных риску. В одной конструкции 1, 2, 3 в соответствии с изобретением может быть использовано более одного пьезоэлектрического элемента 6, при этом данные пьезоэлектрические элементы 6 настроены на одну или несколько резонансных частот.

Передача энергии в цепях 11, 12, 16, 17 и между цепями 11, 12, 16, 17 может происходить аналоговым способом, а также посредством использования индукционных, емкостных, электромагнитных явлений и в цифровой форме, если это возможно. Соединения между пьезоэлектрическим материалом 6, сопротивлением 7, передатчиком 8 и приемником 10 и другими элементами, не указанными в данном документе, могут быть выполнены посредством проводов 9, но в альтернативном варианте могут быть беспроводными.

Монтаж данных систем в конструкциях, представляющих интерес, может быть выполнен посредством использования различных технологий соединения, таких как пайка, сварка, приклеивание и др. Больше деталей относительно технологий сборки/монтажа и мест расположения пьезоэлектрического материала 6 раскрыто в упомянутой публикации патента Швейцарии 704127.

Пьезоэлектрический материал 6 может быть применен для низких, умеренных и наибольших вибрационных нагрузок при одной форме колебаний или нескольких форм колебаний. Наложение всех этих колебаний может быть принято во внимание для оптимизации местоположения пьезоэлектрического элемента с учетом наилучшего поведения всей системы в течение срока ее эксплуатации. Если есть возможность, описанные устройства 11, 12, 17 могут быть применены на наружной и/или на внутренней поверхности соответствующих конструкций 1, 2, 3 или встроены в стенку данных конструкций.

Система в соответствии с изобретением активизируется сама, когда отложения льда образуются на поверхности конструкции, частота которой в этом случае снижается. Но могут быть приняты во внимание другие механизмы активации системы согласно изобретению, например большая центробежная нагрузка, действующая на профиль вследствие наличия дополнительной массы льда.

Кроме того, система в соответствии с изобретением может быть активизирована посредством изменения частоты Ω вращения машины, которая представляет собой существенный параметр для машины, работающей с регулируемой частотой вращения. В этом случае система является полууправляемой и приводится в действие за счет мониторинга условий образования льда и/или обеспечивает обнаружение нарастания льда, или приводится в действие с учетом окружающих условий, определяемых температурой и/или давлением окружающей среды. Кроме того, другие параметры, которые оказывают воздействие на эксплуатационные характеристики машины, могут быть использованы для определения и изменения частоты вращения и последующей активации системы подавления льдообразования в соответствии с изобретением.

В завершение следует упомянуть, что решение в соответствии с изобретением не оказывает влияния на эксплуатационные характеристики компрессора, и оно требует только ничтожно малого количества электрической энергии.

Перечень ссылочных позиций

1 раструб

2 лопатка входного направляющего аппарата

3 вращающаяся лопатка

4 ротор

5 корпус

6 пьезоэлектрический элемент

7 сопротивление

8 передатчик

9 провод

10, 10′ приемник

11 электрическая цепь

12 электрическая цепь

13 передатчик

14 центральная ось

16 устройство подачи внешней энергии

17 датчик льдообразования

19 источник питания

При подавлении льдообразования на поверхности конструкции турбомашины во время ее работы осуществляют пьезоэлектрическое преобразование механической энергии колебаний конструкции в электрическую энергию. Затем преобразуют генерированную электрическую энергию в тепловую энергию и подводят данную тепловую энергию к части конструкции турбомашины. Передают часть генерированной пьезоэлектрическим способом энергии непосредственно к другой части конструкции турбомашины для преобразования переданной энергии в тепловую энергию или к системе подачи внешней энергии, выполненной с возможностью повторной передачи энергии к части конструкции турбомашины для преобразования переданной энергии в тепловую энергию. Другое изобретение группы относится к устройству для реализации указанного выше способа и содержит корпус с входной секцией, состоящей из раструба, ротор, окруженный корпусом, ряд лопаток входного направляющего аппарата, соединенных с корпусом, и ряд вращающихся лопаток, соединенных с ротором. Раструб, и/или по меньшей мере одна лопатка входного направляющего аппарата, и/или по меньшей мере одна вращающаяся лопатка снабжены пьезоэлектрическим элементом, электрической цепью, соединенной с данным пьезоэлектрическим элементом, а также передатчиком для передачи части энергии, генерированной пьезоэлектрическим способом. Группа изобретений позволяет упростить устройство подавления льдообразования на поверхности конструкции турбомашины. 2 н. и 22 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ подавления льдообразования на поверхности конструкции турбомашины во время ее работы, при этом способ включает в себя по меньшей мере этапы пьезоэлектрического преобразования механической энергии колебаний указанной конструкции (1, 2, 3) в электрическую энергию, преобразования генерированной электрической энергии в тепловую энергию и подвода данной тепловой энергии к по меньшей мере части конструкции (1, 2, 3), отличающийся тем, что также включает в себя этапы передачи части генерированной пьезоэлектрическим способом энергии непосредственно к по меньшей мере другой части конструкции (1, 2, 3) для локального преобразования переданной энергии в тепловую энергию или к системе подачи внешней энергии, выполненной с возможностью повторной передачи энергии к по меньшей мере части конструкции (1, 2, 3) для локального преобразования переданной энергии в тепловую энергию.

2. Способ по п. 1, включающий в себя прочное прикрепление по меньшей мере одного пьезоэлектрического элемента (6) к указанной конструкции (1, 2, 3) и соединение пьезоэлектрического элемента (6) с электрической цепью (11), содержащей омическое сопротивление (7).

3. Способ по п. 1, в котором механические колебания конструкции (1, 2, 3) приводят к деформированию пьезоэлектрического элемента (6), в результате чего осуществляется преобразование механической энергии колебаний конструкции (1, 2, 3) в электрическое напряжение, инициирование электрического тока в присоединенной электрической цепи (11), преобразование электрического тока в тепловую энергию в омическом сопротивлении (7) и подвод данной тепловой энергии к по меньшей мере части конструкции (1, 2, 3).

4. Способ по п. 2, в котором электрическая цепь (11) дополнительно содержит передатчик (8).

5. Способ по п. 4, в котором электрическая цепь (11) первой конструкции (1, 2, 3) по меньшей мере содержит пьезоэлектрический элемент (6), сопротивление (7) и передатчик (8), и в котором электрическая цепь (12) второй конструкции (1, 2, 3) по меньшей мере содержит приемник (10) и сопротивление (7), и в котором передатчик (8) цепи (11) и приемник (10) цепи (12) выполнены с возможностью передачи энергии посредством бесконтактной передачи энергии.

6. Способ по п. 5, в котором первая конструкция представляет собой вращающуюся лопатку (3), а вторая конструкция представляет собой лопатку (2) входного направляющего аппарата и/или часть статора раструба (1).

7. Способ по п. 4, в котором передатчик (8) электрической цепи (11) выполнен с возможностью передачи сигнала приемнику (10′) системы (16) подачи внешней энергии.

8. Способ по п. 7, в котором устройство (16) подачи внешней энергии содержит по меньшей мере приемник (10′), источник (19) электропитания и передатчик (13) для бесконтактной передачи энергии.

9. Способ по п. 8, в котором передатчик (13) системы (16) подачи внешней энергии передает энергию посредством бесконтактной передачи энергии по меньшей мере одному приемнику (10) электрических цепей (12), которые применены для конструкций (1, 2, 3), и принятые сигналы преобразуют в тепло посредством сопротивлений (7).

10. Способ по п. 9, в котором устройство (16) подачи внешней энергии передает мощность всем электрическим цепям (12), применяемым для конструкций (1, 2, 3).

11. Способ по одному из пп. 1-10, в котором передача энергии в электрических цепях (11, 12, 16) по меньшей мере частично базируется на беспроводном способе.

12. Способ по п. 1, в котором более одного пьезоэлектрического элемента (6) применяют на одной конструкции (1, 2, 3) и в котором указанные более одного пьезоэлектрические элементы (6) настроены на одну или несколько резонансных частот.

13. Способ по п. 12, в котором турбомашина представляет собой компрессор стационарной газотурбинной установки для выработки энергии, а конструкция турбомашины представляет собой входную конструкцию компрессора.

14. Устройство для реализации способа по п. 1, содержащее по меньшей мере корпус (5) с входной секцией, состоящей из раструба (1), ротор (4), окруженный корпусом (5), ряд лопаток (2) входного направляющего аппарата, соединенных с корпусом (5), и ряд вращающихся лопаток (3), соединенных с ротором (4), при этом раструб (1), и/или по меньшей мере одна лопатка (2) входного направляющего аппарата, и/или по меньшей мере одна вращающаяся лопатка (3) снабжены пьезоэлектрическим элементом (6) и электрической цепью (11), соединенной с данным пьезоэлектрическим элементом (6), отличающееся тем, что электрическая цепь (11) применена на первой конструкции (1, 2, 3) и также содержит передатчик (8) для передачи части генерированной пьезоэлектрическим способом энергии непосредственно ко второй конструкции (1, 2, 3) для локального преобразования переданной энергии в тепловую энергию или к системе подачи внешней энергии, выполненной с возможностью повторной передачи энергии к по меньшей мере части конструкции (1, 2, 3) для локального преобразования переданной энергии в тепловую энергию.

15. Устройство по п. 14, в котором электрическая цепь (11) включает в себя по меньшей мере омическое сопротивление (7).

16. Устройство по п. 15, в котором электрическая цепь (11), включающая в себя пьезоэлектрический элемент (6), омическое сопротивление (7) и передатчик (8), прочно прикреплена к по меньшей мере одной вращающейся лопатке (3), и/или к по меньшей мере одной лопатке (2) входного направляющего аппарата, и/или к корпусу, и/или к распорке раструба (1).

17. Устройство по п. 16, в котором электрическая цепь (11), содержащая пьезоэлектрический элемент (6), омическое сопротивление (7) и передатчик (8), применена для по меньшей мере одной вращающейся лопатки (3), и в котором электрическая цепь (12), содержащая омическое сопротивление (7) и приемник (10), применена для по меньшей мере одной лопатки (2) входного направляющего аппарата, и/или для корпуса, и/или для распорки раструба (1), и в котором передатчик (8) электрической цепи (11) и приемник (10) электрической цепи (12) выполнены с возможностью передачи энергии посредством бесконтактной передачи энергии.

18. Устройство по п. 16, в котором электрическая цепь (11), содержащая пьезоэлектрический элемент (6), омическое сопротивление (7) и передатчик (8), применена для по меньшей мере одной вращающейся лопатки (3) и в котором передатчик (8) выполнен с возможностью передачи сигнала приемнику (10′) системы (16) подачи внешней энергии.

19. Устройство по п. 18, в котором система (16) подачи внешней энергии содержит по меньшей мере приемник (10′), источник (19) электропитания и передатчик (9) для бесконтактной передачи энергии приемникам (10) электрических цепей (12).

20. Устройство по п. 19, в котором по меньшей мере одна из вращающихся лопаток (3) и/или лопаток (2) входного направляющего аппарата, и/или корпус, и/или распорки раструба (1) снабжены электрической цепью (12), включающей в себя приемник (10) и сопротивление (7).

21. Устройство по п. 14, в котором пьезоэлектрический элемент (6) и электрическая цепь (11), соединенная с пьезоэлектрическим элементом (6), выполнены в виде модуля и по меньшей мере один подобный модуль применен на одной из конструкций (1, 2, 3).

22. Устройство по п. 21, в котором модуль дополнительно содержит омическое сопротивление (7) и/или передатчик (8).

23. Устройство по п. 21, в котором электрическая цепь (12), содержащая по меньшей мере сопротивление (7) и приемник (10), выполнена в виде модуля и по меньшей мере один подобный модуль применен на одной из конструкций (1, 2, 3).

24. Устройство по п. 17, в котором электрические цепи (11, 12) или соответствующие модули, включающие в себя данные цепи (11, 12), применены на наружной поверхности или внутренней поверхности конструкций (1, 2, 3) или они встроены в стенку данных конструкций (1, 2, 3).