Устройство управления радиальным зазором в турбомашине, основанное на эффекте памяти формы

Предполагаемая полезная модель относится к области газотурбинной техники и может быть использована в конструкциях авиационных газотурбинных двигателей и наземных энергетических установок.

Технический результат достигается тем, что в качестве управляющего элемента системы используется тонкостенная кольцевая деталь, выполненная из материала, обладающего эффектом памяти формы, закрепленная на корпусе с помощью шарнирного крепления, обеспечивающего свободную радиальную деформацию управляющего элемента.

Преимуществами заявляемой конструкции устройства над существующими прототипами является значительно более широкий диапазон регулирования, не зависящий от интенсивности охлаждения, а также отсутствие затрат энергии на работу системы на крейсерском (номинальном) режиме.

Предполагаемая полезная модель относится к области газотурбинной техники и может быть использована в конструкциях авиационных газотурбинных двигателей и наземных энергетических установок.

Наиболее распространенным способом регулирования радиального зазора является изменение диаметрального размера корпуса турбомашины путем теплового воздействия на него (охлаждения). Существует большое количество разнообразных конструкций тепловых систем управления радиальным зазором, отличающихся способом подвода охлаждающего воздуха и другими параметрами. Примеры конструкций таких систем описаны в документах:

Патент 2379522 Российской Федерации МПК F01D 11/24 Устройство для регулирования радиальных зазоров в газовой турбине с балансировкой воздушных потоков [Текст] / Амиот Дени и др.; заявитель и патентообладатель СНЕКМА (FR). - 2005106889/06, заявлено 20.08.2006, опубликовано 20.01.2010.

Патент США 7491029 МПК F01D 11/08 Active clearance control system for gas turbine engine [Текст] / Michael C. Pezzetti, Daniel E. Kane и др.; заявитель и патентообладатель United Technologies Corporation, Hartford, CT (US) - 11/251374, заявлено 14.10.2005, опубликовано 19.04.2007.

Основным недостатком существующих тепловых систем управления являются значительные затраты энергии на их работу. Охлаждение корпуса турбомашины выполняется воздухом, отбираемым от компрессора двигателя, при этом часть энергии рабочего цикла неизбежно теряется, снижается эффективность работы двигателя и его эксплуатационные характеристики.

Диапазон регулирования зазора с помощью тепловых систем ограничен теплофизическими свойствами материалов (коэффициентом теплового расширения), а также в значительной степени зависит от интенсивности охлаждения, в результате чего затраты энергии на работу системы управления могут быть соизмеримы с энергией, которая экономится в результате применения этой системы, что делает ее применение бессмысленным.

Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели является конструкция системы управления радиальным зазором, предложенная в научной работе:

DeCastro J.A. System-level design of a shape memory alloy actuator for active clearance control in the high pressure turbine / J.A.DeCastro, K.J.Melcher // 41 ^th Joint Propulsion Conference and Exhibit, Tucson, Arizona, July 10-13, 2005.

Конструкция устройства, предложенного авторами работы, содержит стержень, выполненный из материала, обладающего эффектом памяти формы. При работе двигателя стержень нагревается специальным нагревателем, восстанавливает свою форму (удлиняется), деформируя корпус турбомашины и изменяя тем самым радиальный зазор. Преимуществом такой конструкции является ее надежность, компактность и малая масса в сравнении с традиционными приводными механизмами (к примеру, гидравлическими). Тем не менее, у системы имеются и существенные недостатки: необходимость внешнего источника энергии, малый диапазон регулирования, ограниченный прочностными характеристиками деформируемого корпуса.

Основной идеей предлагаемой полезной модели является использование в конструкции системы управления радиальным зазором «интеллектуальных материалов», обладающих эффектом памяти формы. Эффект памяти формы заключается в способности некоторых материалов восстанавливающих свою, заранее заложенную при производстве, форму при определенных условиях (как правило, при определенной температуре).

Техническим результатом является значительно более широкий диапазон регулирования, не зависящий от интенсивности охлаждения, а также отсутствие затрат энергии на работу устройства на крейсерском (номинальном) режиме.

Технический результат достигается тем, что управляющий элемент представляет собой тонкостенную кольцевую деталь, выполненную из материала, обладающего эффектом памяти формы.

Основным отличием заявляемой конструкции устройства от описанного прототипа является использование элемента, обладающего эффектом памяти формы, непосредственно в качестве управляющего элемента. Схема заявляемого устройства и принцип его работы показаны на фигурах.

Управляющий элемент (3), представляет собой тонкостенную кольцевую деталь, выполненную из материала, обладающего эффектом памяти формы, закрепленную на корпусе (2) с помощью шарнирного крепления (4). Такое крепление необходимо для обеспечения возможности свободной радиальной деформации элемента.

При запуске, прогреве и работе на взлетном режиме управляющий элемент охлаждается воздухом, отбираемым от компрессора двигателя, и остается прямолинейным (фиг.2). Радиальный зазор на этих режимах имеет минимальное значение в результате радиальной деформации ротора (1) под действием центробежных сил. При выходе на крейсерский (номинальный) режим центробежные силы уменьшаются, тепловое состояние ротора и статора выравнивается, а радиальный зазор увеличивается, что негативно сказывается на характеристиках турбомашины. В этот момент охлаждение управляющего элемента отключается, элемент нагревается потоком газа в проточной части до требуемой температуры и восстанавливает заданную форму (фиг.3), уменьшая зазор до минимального значения. При сбросе газа (дросселировании двигателя) охлаждение управляющего элемента вновь включается, и управляющий элемент возвращается к первоначальной форме (фиг.2).

Благодаря эффекту памяти управляющий элемент обладает способностью изменять свою форму и размеры при достижении определенного теплового состояния, обеспечивая минимальные значения радиального зазора на устойчивых режимах работы двигателя.

Устройство управления радиальным зазором в турбомашине, состоящее из управляющего элемента, закрепленного на корпусе, отличающееся тем, что управляющий элемент представляет собой тонкостенную кольцевую деталь, выполненную из материала, обладающего эффектом памяти формы.