Патентный поиск: охлаждение сопловых лопаток турбины газотурбинного двигателя

1. Патентный поиск на тему «Охлаждение сопловых лопаток турбины газотурбинного двигателя»

Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Кафедра «Авиационные двигатели»
Патентный поиск на тему «Охлаждение
сопловых лопаток турбины
газотурбинного двигателя»
Студент групп АД-22-2с: Тимганов Э.А.
.
1

2. Данные поиска

Место поиска
Роспатент
Базы данных
Россия и страны СНГ, минимум РСТ, промышленные образцы, СМПФ
Поисковые
запросы
(Охлаждение сопловых лопаток турбины газотурбинного двигателя) OR
(Cooling turbine nozzle guide vanes gas turbine engine) AND IC= (F01D5/18 AND
F01D25/08 AND F01D5/00) NOT IC=(F02C7) NOT IC=(F02) NOT IC=(F23) NOT
IC=(F01D11) NOT IC=(F04) NOT IC=(G01) NOT IC=(B63) NOT IC=(B22) NOT IC=(C23)
NOT IC=(C22) NOT IC=(E21) NOT (Ремонт) NOT (демпфирования) AND (DP
>=2016)
Кол-во документов:
52
Основные классы
МПК:
Основной класс:
F01D5/00 — Рабочие лопатки; элементы, на которых закрепляются лопатки
паровыпускные патрубки; устройства для подогрева, теплоизоляции,
охлаждения или устранения вибраций лопаток или несущих их элементов
Подклассы:
F01D5/18 — Пустотелые лопатки; устройства для подогрева, теплоизоляции
или охлаждения лопаток
Смежные классы:
F01D25/08 — Охлаждение охлаждение машин и двигателей вообще ;
подогрев; теплоизоляция лопаток или несущих их элементов
2

3. Краткая информация по теме

Сопловой аппарат турбины - неподвижный элемент
турбины, состоящий из лопаток, закреплённых в
корпусе.
СА работает при высоких температурах, которые
превышают пределы длительной прочности металла,
вызывая термические напряжения, коробление,
окисление
и
прогары
кромок,
а
также
неравномерный нагрев по высоте и хорде лопатки. К
этому добавляются эрозия от газового потока,
усталостные трещины и ускоренный износ полок.
Именно поэтому охлаждение соплового аппарата
становится критически важным: оно не только
защищает лопатки от разрушения и продлевает
ресурс, но и позволяет повышать температуру газа
перед турбиной — а значит, увеличивать КПД и тягу
Рисунок 1 – Сопловой лопатка двигателя без потери надёжности.
турбины
3

4. Патент 1

Рисунок 2 – Сопловая лопатка в
разрезе
Рисунок 3 – Сопловая лопатка
(вид сверху)
Название патента: Охлаждаемая сопловая лопатка
турбины высокого давления турбореактивного двигателя
Номер патента: RU 2 767 580 C1
Краткое описание патента: Полое перфорированное перо
лопатки разделено на три полости — переднюю, среднюю и
заднюю — каждая с собственной системой охлаждения. Это
исключает прогары при высоких температурах испытаний. В
передней полости выполнено не менее пяти каналов для
вывода проводников датчиков, изготовленных заодно с
дефлектором и пером (аддитивная технология — лазерное
спекание). На входной кромке расположено не менее пяти
диффузоров в виде цилиндрических экранов с отверстиями
для сброса набегающего потока; в них устанавливаются
приёмники давления, термопары и другие датчики.
Технический результат: Повышается надёжность и
технологичность препарирования сопловой лопатки
датчиками. Изобретение прошло испытания в составе
полноразмерного газогенератора на всех режимах — как
при атмосферных условиях, так и с имитацией высотных.
4

5. Патент 2

Рисунок 4 – Сопловой
аппарат ТНД ГТД
(продольный разрез)
Название патента: Сопловый аппарат турбины низкого давления
(ТНД) газотурбинного двигателя (ГТД) (варианты) и лопатка соплового
аппарата ТНД (варианты)
Номер патента: RU 2 691 203 C1
Краткое описание патента: Сопловый аппарат ТНД содержит
сопловые блоки, смонтированные между наружным и внутренним
силовыми кольцами, соединёнными полыми силовыми спицами.
Каждый блок собран не менее чем из трёх жёстко соединённых
лопаток, выполненных за одно целое с малой и большой полками.
Силовые спицы пропущены через кольца и полости крайних лопаток
блока, а через среднюю лопатку каждого блока проходит трубка
транзитного тракта охлаждения ротора ТНД.
Технический результат: Повышение эффективности работы и
ресурса
соплового
аппарата
ТНД
за
счёт
улучшения
аэродинамических и конструктивных параметров элементов СА,
многоканального тракта воздушного охлаждения наиболее
теплонапряжённых элементов, транзитного тракта охлаждающего
воздуха для роторов ТНД и ТВД, жёсткого силового каркаса (кольца +
спицы), обеспечивающего стабильность углов установки лопаток и
снижение утечек воздуха, технологической простоты изготовления
без увеличения материало- и энергоёмкости.
5

6. Патент 3

Название патента: Сопловая лопатка турбины газотурбинного
двигателя
Номер патента: RU 2 773 167 C1
Краткое описание патента: Сопловая лопатка содержит три основных
элемента:
Наружный аэродинамический профиль из керамического или
композиционного материала (типа Cf/SiCm или SiCf/SiCm) — формирует
газодинамический контур соплового аппарата и выдерживает
температуру газа на входе.
Промежуточный дефлектор из керамики (карбид кремния SiC или
нитрид кремния Si₃N₄) — установлен между профилем и металлическим
дефлектором,
снабжён выступами
на обеих поверхностях,
образующими каналы для охлаждающего воздуха. Экранирует
металлический дефлектор от лучистого теплового потока.
Полый металлический дефлектор — выполнен податливым из
листового металла для снижения контактных напряжений (из-за разных
коэффициентов термического расширения материалов). Его внутренняя
полость служит для транзита охлаждающего воздуха к ротору турбины.
Технический результат: Снижение расхода охлаждающего воздуха и
газодинамических потерь в сопловом аппарате при возможности
повышения температуры газа перед турбиной до стехиометрических
Рисунок 5 – Сопловой аппарат ГТД
значений, что обеспечивает рост топливной эффективности и снижение
(поперечный и продольный
веса ГТД в целом.
6
разрезы)

7. Патент 4

Рисунок 6 – Система компрессор,
КС и турбина
Название патента: Система инжекционного охлаждения и
турбина (варианты)
Номер патента: RU 2 605 270 C2
Краткое описание патента: Сопловой аппарат турбины
содержит сопловые лопатки, внутри которых размещена
система инжекционного охлаждения в виде камеры с
прямолинейной пластиной. Система содержит камеру
инжекционного охлаждения и прямолинейную пластину
инжекционного охлаждения, обращённую к фасонной
поверхности. Пластина имеет ряд спроецированных
областей с отверстиями инжекционного охлаждения разных
размеров и с разными расстояниями между ними. За счёт
подбора диаметра и шага отверстий в разных зонах
пластины
достигается
равномерный
коэффициент
теплопередачи по всей криволинейной поверхности,
несмотря на переменное расстояние от пластины до
охлаждаемой стенки.
Технический результат: Повышение эффективности
охлаждения при упрощенной и недорогой конструкции
пластины
Рисунок 7 – Вид сбоку СА с
инжекционным охлаждением
7

8. Патент 5

Рисунок 8 – Продольный разрез
охлаждаемой турбины
Рисунок 9 – Разрез СА с каналами
Название патента: Охлаждаемая турбина газотурбинного двигателя
Номер патента: RU 2 792 502 C2
Краткое описание патента: Внутренний объём каждой сопловой
лопатки разделён перегородкой на переднюю и заднюю полости с
дефлекторами, образующими каналы охлаждения вдоль вогнутой и
выпуклой стенок.
Соединительный канал — образуется дефлектором задней полости
вдоль разделительной перегородки и связывает внутренние каналы
охлаждения стенок задней полости друг с другом, а через ряд
перепускных отверстий в перегородке — с каналом охлаждения
выпуклой стенки передней полости и её отверстиями пленочного
охлаждения. Образует противоточную схему течения охладителя.
Система выходных щелей в концевой части дефлектора задней
полости, обращённых к выходной кромке, — подаёт для охлаждения
самого теплонапряжённого участка (выходной кромки) неподогретый
охладитель непосредственно из задней полости подвода, минуя
предварительный нагрев при прохождении каналов задней полости.
Перепускной канал в передней полости (по зависимому пункту
формулы) — через перепускные отверстия в перегородке подаёт часть
охладителя к отверстиям пленочного охлаждения вогнутой стенки,
замещая расход из нижней полости подвода.
Технический результат: Снижение расхода охладителя за счёт более
полного использования его хладоресурса и, как следствие, повышение
эффективности охлаждения сопловых лопаток, экономичности,
надёжности и ресурса турбины и двигателя в целом
8

9. Временная динамика патентования

20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026
9

10. Распределение по компаниям

2%
19%
Институты
Компании
Физ лица
79%
10

11. Распределение по основным патентообладателям

ПАО "ОДК-Уфимское моторостроительное…
Дженерал Электрик Компани (US)
СИМЕНС АКЦИЕНГЕЗЕЛЛЬШАФТ (DE)
ФГБОУВО "Рыбинский государственный авиационный…
САФРАН ХЕЛИКОПТЕР ЭНДЖИНЗ (FR)
ФГУП Тушинское машиностроительное конструкторское…
АО "ОДК - Авиадвигатель" (RU)
Акционерное общество "Климов" (RU)
Акционерное общество "Объединенная…
Кулев Владимир Николаевич (RU)
ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ…
САФРАН ЭРКРАФТ ЭНДЖИНЗ (FR)
(ФГБНУ ВИЭСХ) (RU)
ФГБО УВО "Московский авиационный институт…
ФГБО УВО "Уфимский университет науки и технологий"…
ФГБО УВО Балтийский государственный технический…
ФГБО УВО "Всероссийский научно-исследовательский…
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
11

12. Распределение по основным патентообладателям-физлицам

Кулев Владимир Николаевич
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
12

13. Распределение по авторам

Марчуков Евгений Ювенальевич
Куприк Виктор Викторович
Андреев Виктор Андреевич
Комаров Михаил Юрьевич
Кононов Николай Александрович
Крылов Николай Владимирович
Селиванов Николай Павлович
Канахин Юрий Александрович
Максимов Вадим Васильевич
Стародумова Ирина Михайловна
Вятков Владимир Вячеславович
Золотухин Андрей Александрович
Кузьмин Максим Владимирович
Ремизов Александр Евгеньевич
Ханин Александр Анатольевич
Арефьев Михаил Романович
БАТТ Стефен
Белова Светлана Евгеньевна
ГИГЛИО Энтони Луис
КОЙН Роберт Уолтер
Попов Денис Андреевич
Мишуков Алексей Алексеевич
УИНН Аарон Грегори
0
2
4
6
8
10
12
14
13

14. Анализ патентного ландшафта. Выводы

•Основные компании-патентообладатели:
•Публичное акционерное общество «ОДК-УМПО» - является одним
из крупнейших предприятий в России в области разработки и
производства авиационных двигателей. Гражданская авиация – Д30КП (Ту-154), Д-436 (Ан-148, Ан-158). Учебно-боевой – АЛ-31Ф (Су27). Вертолетный двигатель – КС-350 (Ми-28 и Ка-52).
•General Electric Company, GE - производитель многих видов техники,
включая авиационные двигатели, энергетические установки (в том
числе и атомные реакторы) и газовые турбины. Гражданская авиация
– GE90 (Boeing 777), Genx (Boeing 787 Dreamliner), CF6 (Airbus A300),
LEAP (COMAC C919), CF34 (Embraer E-Jet).
•Safran Helicopter Engines - разработка, производство и обслуживание
вертолетных двигателей. Компания специализируется на создании
надежных и эффективных силовых установок для различных типов
вертолетов. Гражданская авиация – Turbomeca Arriel 2C/1C/2T (Airbus
H125), Turbomeca Makila 1/2 (Bell 412).
Анализ временной динамики патентования показывает циклический
нисходящий тренд интереса к данной теме в рамках выбранного
поискового запроса.
В найденных патентах присутствуют следующие проблемы: низкая
эффективность охлаждения и ресурс СА ТНД и ТВД, ограничение
температуры и большой расход воздуха на охлаждение керамических
лопаток, неравномерный нагрев по высоте и хорде лопатки.
Рисунок 10 – АЛ-31Ф — это
высокотемпературный
турбореактивный двухконтурный
двигатель с форсажной камерой и
со смешением потоков
Рисунок 11 – Истребитель СУ-27
14

15. Учебная заявка на патент

1.Название изобретения «Охлаждаемая сопловая лопатка турбины
газотурбинного двигателя с многоканальной системой внутреннего
охлаждения и перфорацией на выходной кромке»
2.Область техники Изобретение относится к области двигателестроения, а
именно к конструкции охлаждаемых сопловых лопаток турбин
газотурбинных двигателей. Может применяться в авиационных и
промышленных ГТД для повышения эффективности охлаждения и ресурса
работы.
3.Уровень техники В уровне техники известны различные конструкции
охлаждаемых сопловых лопаток. Например, по патенту RU 2 767 580 С1, в
котором перфорированное перо разделено на три полости — переднюю,
среднюю и заднюю, каждая с собственной системой охлаждения.
Недостаток — сложность изготовления и ограниченная эффективность при
переменных режимах. По патенту RU 2 792 502 С2, в которой внутренний
объём каждой сопловой лопатки разделён перегородкой на переднюю и
заднюю полости с дефлекторами, образующими каналы охлаждения вдоль
вогнутой и выпуклой стенок. Недостаток — усложнение конструкции
дефлекторов и перегородок, требующее дополнительных уплотнений.
15

16. Учебная заявка на патент

4. Ближайший аналог:
В качестве прототипа выбрана сопловая лопатка
по патенту RU 2 792 502 C2, содержащая
разделительную перегородку и дефлекторы с
каналами охлаждения, и систему выходных
щелей в концевой части дефлектора задней
полости, обращённых к выходной кромке. Данное
решение выбрано как наиболее близкое по
технической сущности. Главным его недостатком
является
недостаточная
эффективность
охлаждения выходной кромки при переменных
режимах работы двигателя.
5.Отличия от прототипа:
В отличие от прототипа, внутренний объём пера
разделён
дополнительными
продольными
перегородками на 5 и более каналов,
соединённых
перепускными
отверстиями.
Выходная кромка снабжена перфорацией с
переменным
диаметром
и
шагом,
увеличивающимися к кромке.
Рисунок 12 – Сопловая лопатка с
пяти каналами охлаждения
16

17. Учебная заявка на патент

6. Технический результат:
Повышение эффективности охлаждения выходной кромки и всей
сопловой лопатки за счёт многоканальной системы внутреннего
охлаждения и перфорации с переменным диаметром и шагом
отверстий, а также снижение расхода охлаждающего воздуха на 10–
15% и повышение ресурса лопатки при работе на высоких
температурах газа.
7. Краткая формула:
Сопловая лопатка турбины газотурбинного двигателя, содержащая
разделительную перегородку, дефлекторы с каналами охлаждения,
отличающаяся тем, что внутренний объём пера разделён
дополнительными продольными перегородками на многоканальную
систему из пяти каналов охлаждения, соединённых перепускными
отверстиями с образованием последовательно-параллельной схемы
течения охладителя, а выходная кромка снабжена системой
перфорационных отверстий с переменным диаметром и шагом,
увеличивающимися к выходной кромке.
17

18. Заключение

Выводы:
выполнен патентный поиск на тему: Охлаждение сопловых лопаток турбины газотурбинного
двигателя; поиск проводился по базам Роспатента (Россия и страны СНГ, минимум РСТ, промышленные
образцы, СМПФ) с использованием поисковых запросов по классам МПК F01D5/18, F01D25/08,
F01D5/00 за период с 2016 года, всего найдено 52 документа;
на основе нескольких патентов рассмотрена конструкция и функции способов охлаждения сопловых
лопаток турбины;
к основным преимуществам рассмотренных решений относятся:
повышение надёжности и
технологичности за счёт аддитивных технологий и интеграции датчиков, улучшение аэродинамических
и конструктивных параметров, многоканальное охлаждение и жёсткий силовой каркас, снижение
расхода охлаждающего воздуха и газодинамических потерь при повышении температуры газа перед
турбиной; равномерный коэффициент теплопередачи по криволинейной поверхности благодаря
подбору диаметра и шага отверстий; снижение расхода охладителя за счёт противоточной схемы и
подачи неподогретого воздуха к выходной кромке;
к основным недостаткам рассмотренных решений относятся: сложность изготовления, увеличенная
масса и габариты силового каркаса из колец и спиц, риск повреждения керамических элементов при
неравномерном нагреве, а также необходимость дополнительных элементов при усложненной
конструкции дефлекторов и перегородок;
выполнен анализ статистики по проведенному патентному поиску, определена временная динамика
патентования на данную тему (пик в 2009 году — 18 документов), основные патентообладатели
(Публичное акционерное общество «ОДК-УМПО» — 18, General Electric Company, GE — 7, Safran
Helicopter Engines — 2), приведена краткая справка по основным компаниям, работающим в данном
направлении;
Подготовлен учебная форма заявки на патент с названием «Охлаждаемая сопловая лопатка турбины
газотурбинного двигателя с многоканальной системой внутреннего охлаждения и перфорацией на
18
выходной кромке».