Steady and transient thermal state of turbine disc estimation for life time monitoring

• Autorzy: Martseniuk Yevhen

Identyfikatory

DOI

10.2478/tar-2020-0014

Warianty tytułu

PL

Stałe i przejściowe oszacowanie stanu termicznego tarczy turbiny w celu monitorowania jej żywotności

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In connection with increasing intensification of the working process in a gas turbine engine and increasing requirements for economy, the problem of defining and monitoring the main parts lifetime is becoming more vital. Modern algorithms of the monitoring systems are based on taking into account the levels of part temperature and total equivalent stress throughout the flight cycle. Thermal and stressstrain states of the critical zones of the main parts are determined on the basis of information received from the sensors installed in the engine gas path. Turbine disks are located in the internal cavities of the engine and are cooled by air from the compressor. However, in some designs, the disk cavity can be separated from the place of cooling air bleed by several stages of non-contact labyrinth seals, which will lead to some delay in changing the parameters of the cooling air flow when changing the engine operating mode. It has been observed that if this situation is not taken into account, it can lead to significant errors (more than 40%) in determining the lifetime for the peripheral zone of the disk. At the same time, this error is minimal for the hub and the middle zone of the disk, and the existing monitoring algorithms can be used.

PL

W związku z coraz większą intensyfikacją procesu pracy w silniku turbiny gazowej i rosnącymi wymaganiami ekonomicznymi, coraz bardziej zaostrza się problem definiowania i monitorowania żywotności głównych części. Nowoczesne algorytmy systemów monitorowania opierają się na uwzględnianiu poziomów temperatury części i całkowitego równoważnego obciążenia w całym cyklu lotu. Stany termiczne i naprężeniowo-odkształceniowe stref krytycznych części głównych określane są na podstawie informacji otrzymywanych z czujników zainstalowanych w torze gazowym silnika. Tarcze turbinowe umieszczone są w wewnętrznych wnękach silnika i są chłodzone powietrzem ze sprężarki. Jednak w niektórych konstrukcjach wnęka tarczowa może być oddzielona od miejsca upustu powietrza chłodzącego kilkoma stopniami bezdotykowych uszczelnień labiryntowych, co spowoduje pewne opóźnienie zmiany parametrów przepływu powietrza chłodzącego przy zmianie trybu pracy silnika. Wykazano, że jeśli sytuacja ta nie będzie brana pod uwagę, może to prowadzić do znacznych błędów (ponad 40%) w określeniu okresu eksploatacji dla strefy peryferyjnej tarczy. Jednocześnie błąd ten jest minimalny dla koncentratora i strefy środkowej dysku, a istniejące algorytmy monitorujące mogą być stosowane.

Słowa kluczowe

EN

lifetime; monitoring; thermal-stress state; model

PL

żywotność; monitoring; stan naprężenia termicznego; model

• Wydawca: Wydawnictwa Naukowe Sieci Badawczej Łukasiewicz - Instytutu Lotnictwa
• Czasopismo: Transactions on Aerospace Research
• Rocznik: 2020
• Tom: Nr 3 (260)
• Strony: 21--29
• Opis fizyczny: Bibliogr. 10 poz., rys., tab., wykr., wzory

Twórcy

autor

Martseniuk Yevhen

• Department of Aircraft Engine Design, Faculty of Aviation Engines, National M.E. Zhukovsky Aerospace University “Kharkiv Aviation Institute”, Chkalova str., build. 17, Ukraine

Bibliografia

• [1] Jin, H., Lowden, P. and Pistor, R., 2008, "Remaining Life Assessment of Power Turbine Disks." Proceedings of the ASME Turbo Expo 2008: Power for Land, Sea, and Air. Volume 7: Education; Industrial and Cogeneration; Marine; Oil and Gas Applications. ASME, pp. 655-660. 10.1115/GT2008-51010.
• [2] Dowson, P. and Dowson, D., 2011, "Remaining Life Assessment Technology Applied to Steam Turbines and Hot Gas Expanders." Proceedings of the ASME 2011 Turbo Expo: Turbine Technical Conference and Exposition. Volume 6: Structures and Dynamics, Parts A and B. ASME, pp. 47-61. 10.1115/GT2011-45324.
• [3] Jeromin, A., Eichler, C., Noll, B. and Aigner, M., 2008, "Full 3D Conjugate Heat Transfer Simulation and Heat Transfer Coefficient Prediction for the Effusion-Cooled Wall of a Gas Turbine Combustor." Proceedings of the ASME Turbo Expo 2008: Power for Land, Sea, and Air. Volume 4: Heat Transfer, Parts A and B. ASME, pp. 1747-1756. 10.1115/GT2008-50422.
• [4] Nozhnitski, Y. A., Lokshtanov, E. A., Dolgopolov, I. N., Shashurin, G. V., Volkov, M. E., Tsykunov, N. V., and Ganelin, I. I. 2006, "Probabilistic Prediction of Aviation Engine Critical Parts Lifetime." Proceedings of the ASME Turbo Expo 2006: Power for Land, Sea, and Air. Volume 5: Marine; Microturbines and Small Turbomachinery; Oil and Gas Applications; Structures and Dynamics, Parts A and B. ASME, pp. 1025-1034. 10.1115/GT2006-91350.
• [5] Palme´, T., Breuhaus, P., Assadi, M., Klein, A., and Kim, M., 2011, "Early Warning of Gas Turbine Failure by Nonlinear Feature Extraction Using an Auto-Associative Neural Network Approach." Proceedings of the ASME 2011 Turbo Expo: Turbine Technical Conference and Exposition. Volume 3: Controls, Diagnostics and Instrumentation; Education; Electric Power; Microturbines and Small Turbomachinery; Solar Brayton and Rankine Cycle. ASME, pp. 293-304. 10.1115/GT2011-45991.
• [6] Oleynik, A. V., 2006, “The concept and methods of lifetime depletion monitoring of gas turbine air-engine based on a dynamic identification of thermal and stress condition of main details”, Sc. D. thesis, National Aerospace Univ., Kharkov, Ukraine.
• [7] Oleynik, A. V. and Shimanovskaya, N. A., 2003, “The choice of algorithms for monitoring the temperature of parts in steady conditions to account for the lifetime depletion of a gas turbine engine”, Aerospace Technics and Technology, 40(5), pp. 105-108.
• [8] Yepifanov, S. V., Zelenskyi, R. L. and Loboda, I. I., 2015, “Modeling the GTE under its dynamic heating conditions”, Engineering for gas turbines and power (March 2015), 137(3), pp. 031506-1-031506-10.
• [9] Krykonov, D., 2005, Handbook of Engine Lifetime Prediction. Kharkiv, Ukraine: National Aerospace University of Ukraine, p. 67.
• [10] Kolotnikov, M., 2003, Limit states of the parts and the lifetime prediction of gas turbine engines under multicomponent loading conditions. Rybinsk: RGATA, p. 136.