Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Эрозионный износ деталей проточной части ГТД при эксплуатации в запылённой атмосфере .
Глава 2. Базовые положения для описания картины состояния компрессора при эрозионном износе. 18
2.1 Изменение газодинамических параметров компрессора, ступени компрессора или отдельного профиля вследствие воздействия эрозии
2.2 Исследование физической картины (явления) износа лопатки компрессора под воздействием пылевой эрозии
2.2.1 Механизм износа лопаток компрессора при работе на запыленном воздухе
2.2.2 Структура пыли 23
2.2.3 Влияние скорости соударений в модели эрозионного износа 25
2.2.4 Эрозионный износ в зависимости от уровня воздействия 29
2.2.5 Влияние размера частиц пыли 30
2.2.6 Влияние изменения качества поверхности профиля 31
2.3 Математическое моделирование и численные исследования удара частиц пыли о преграду из твёрдого сплава. 33
2.4 Модель эрозионного износа 35
2.5 Способы защиты деталей проточной части от эрозионного износа 40
2.5.1 Ионная имплантация 40
Глава 3. Объект исследования 47
3.1 Конвертирование авиационных ГТД в наземные энергетические установки 47
3.2 Назначение и конструкция генератора сжатого воздуха
3.3 Основные параметры и характеристики ГСВ. 49
3.4 Общие сведения о работе ГСВ при очистке трубопровода в условиях запылённой атмосферы
3.5 Анализ изменений параметров ГСВ при длительной работе в запыленной атмосфере. 55
Глава 4. Геометрическая картина износа 60
4.1 Компьютерные лазерные оптоэлектронные системы измерений геометрии изделий сложной формы «ОПТЭЛ»
4.2 Результаты измерения профиля пера изношенной лопатки компрессора
4.3 Сравнение твердотельных моделей новой и изношенной лопаток 69
4.4 Изменение частоты собственных колебаний лопаток Построение расчётной сетки и задание граничных условий 59
4.4.2 Результаты расчёта частот собственных колебаний 7\
Глава 5. Газодинамическая картина износа 77
5.1 Газодинамический проект компрессора 77
5.2 З-Б моделирование течения в компрессоре 77
5.2.1 Математические модели 77
5.2.2 Течение в новом компрессоре 78
5.2.3 Течение в изношенном компрессоре 90
5.3 З-Б моделирование двухфазных потоков 103
5.3.1 Математический аппарат АКБУБ-СРХ для мультифазных течении 103
5.3.2 Постановка задачи Ю8
5.3.3 Построение расчётной сетки и задание граничных условий
5.3.4 Результаты моделирования двухфазного потока в ПК АКБУБ СРХ
5.3.4.1 Влияние фракционного состава и формы пылевых частиц на траекторию и скорость движения
5.4 Анализ влияния эрозионного износа на запасы газодинамической устойчивости компрессора.
5.5 Применение результатов исследования для нормирования параметров вертолетного двигателя при СПИ
5.6 Модель эрозионного износа лопаток компрессора 129
5.6.1 Эрозионные испытания лопаток с покрытием 129
5.6.2 Перспектива создания аналитической модели эрозионного износа лопаток компрессора Основные выводы и результаты 136
Список литературы 138
Приложение
- Эрозионный износ деталей проточной части ГТД при эксплуатации в запылённой атмосфере .
- Исследование физической картины (явления) износа лопатки компрессора под воздействием пылевой эрозии
- Общие сведения о работе ГСВ при очистке трубопровода в условиях запылённой атмосферы
- Сравнение твердотельных моделей новой и изношенной лопаток
Введение к работе
Актуальность темы
Газотурбинные двигатели (ГТД) являются основным типом двигателей в гражданской и военной авиации, используются как энергоустановки в судостроении, энергетике и газовой промышленности. Диссертация посвящена описанию и оценке состояния осевого компрессора конвертированного ГТД в процессе эксплуатации в сильно запыленной атмосфере. Оценка технического состояния в процессе эксплуатации и нормирование его параметров на основе сопоставления с их предельными значениями необходимы для решения задач по повышению ресурса и поддержания высокого уровня эксплуатационной надёжности. При достижении двигателем предельного состояния дальнейшая его эксплуатация становится невозможной (обрыв лопаток, разрушение подшипника, прогар стенок камеры сгорания, потеря газодинамической устойчивости и т.д.).
Прогнозирование текущих и предельных (критических) состояний позволяет своевременно проводить мероприятия по техническому обслуживанию двигателя. Углубленный анализ процессов пылевой эрозии лопаток позволяет разрабатывать адекватные и достаточно эффективные способы защиты деталей двигателя от эрозии.
Актуальность темы диссертационной работы обусловлена потребностью существенного, на порядки, увеличения ресурса конвертированных энергетических установок, включая наиболее полное использование потенциальных возможностей базовых авиационных двигателей. С другой стороны, в процессе реконверсии могут быть использованы решения, полученные на конвертированных двигателях путем исследований на них недопустимых и недоступных в авиации режимов и условий. Для малоразмерных ГТД вертолетного и танкового применения остро стоит вопрос пылевой эрозии, поэтому, например, выполняется разработка программы специальных стендовых пылевых испытаний вертолётных двигателей ФГУП «ЦИАМ имени П. И. Баранова»
Цель работы. Описание и анализ фактической картины, оценка предельного эрозионного износа лопаток компрессора, характеризующегося такими показателями как:
геометрические размеры;
термо-газодинамические параметры;
- параметры динамического нагружения (собственные частоты
колебаний и деформации).
Исходя из цели работы, для её реализации решались следующие задачи:
1. Исследование динамики изменения параметров рабочего процесса газотурбинного двигателя в процессе интенсивного эрозионного износа элементов проточной части с целью обеспечения контроля его состояния вплоть до критического. Обоснование качественных и количественных критериев допустимого снижения газодинамических характеристик
изношенного компрессора при эксплуатации в условиях запылённой атмосферы.
2. Определение геометрических параметров проточной части
компрессора, подвергшегося предельному эрозионному износу.
3. Исследование влияния различных факторов на эрозионный износ
лопаток компрессора для разработки методики теоретического и
экспериментального исследования с целью решения задач повышения их
эрозионной стойкости. Экспериментальное исследование эрозионной
стойкости лопаток компрессора.
Методы исследования и аппаратура. Полученные автором результаты основываются на расчётно-экспериментальных методах. Исследование проводилось на базе:
- реальных данных эксплуатации конкретного ГТД в условиях,
характеризующихся высокой степенью запылённости атмосферного воздуха;
- результатов приёмо - сдаточных испытаний;
- результатов разборки и дефектации двигателя после выработки
ресурса;
- оптико- электронных измерений геометрии лопаток компрессора;
трёхмерного моделирования конструкции многоступенчатого компрессора;
термогазодинамического моделирования рабочего процесса двигателя;
моделирования течения двухфазных сред;
- экспериментального исследования эрозионно-стойких покрытий
лопаток компрессора.
В процессе исследования также использованы результаты испытаний вертолетных и танковых ГТД, теория воздушно-реактивных двигателей, методы испытаний двигателей, а также технические условия, программы испытаний и исследований авиационных газотурбинных двигателей.
Научная новизна
Для ГТД наземного применения впервые выявлены количественные закономерности распределения величин предельного эрозионного износа компрессора на основе сравнительного анализа созданных 3-х мерных твердотельных моделей новых и изношенных лопаток. Полученные результаты являются основой для создания уточненных моделей эрозионного износа лопаток.
Выявлены закономерности изменения параметров газотурбинного двигателя в процессе работы в запыленной атмосфере, приведшие его к помпажу. Определены критерии предельно допустимого состояния ГТД в эксплуатации.
3. Разработана методология исследования закономерностей изменения концентрации пылевых частиц двухфазной среды, что позволяет воспроизвести реальные условия эксплуатации и формировать модели эрозионного износа лопаток компрессора.
4. Обоснована методика и проведены экспериментальные исследования
эрозионного износа лопаток компрессора с учётом реальных
эксплуатационных факторов.
Основные результаты исследования, выносимые на защиту
1. Выявленные количественные закономерности распределения
величин эрозионного износа рабочих лопаток компрессора на основе
сопоставления созданных 3-х мерных твердотельных моделей новых и
изношенных лопаток Полученные данные служат основой создания
моделей эрозионного износа лопаток турбомашин.
2. Выявленные закономерности изменения параметров ГТД при работе
в запыленной атмосфере, приведшей к помпажу, позволяющие уточнить
критерии оценки их технического состояния.
3. Разработанные методы анализа и закономерности изменения
концентрации пылевых частиц для 2-х фазных сред (воздух-пыль),
позволившие воспроизвести реальные условия эксплуатации.
Результаты исследования эрозионного износа лопаток компрессора из титановых и стальных сплавов с использованием реальных эксплуатационных условий и полученных методических подходов.
Результаты исследования по изменению в процессе эрозии частот собственных колебаний лопаток, как критерия по оценке технического состояния двигателя в эксплуатации.
Обоснованность и достоверность результатов исследования
Достоверность результатов работы обеспечивается:
- верификацией результатов выполненных анализов на основе данных
испытаний установки;
- использованием современных гибких программных комплексов и
созданием на их основе математических моделей рабочих процессов
двигателей, моделей течения двухфазных сред, прямого трёхмерного
(Навье- Стокса) расчёта течения в компрессоре в исходном и изношенном
состояниях;
- использованием современной высокоточной системы измерения профилей
лопаток, привязанных к конструкторским базам
Практическая значимость и реализация результатов работы
Проведённые исследования позволили воспроизвести действительную картину явления - эрозионного износа элементов турбомашин, как научно-методической основы повышения надежности ГТД в реальных условиях эксплуатации
Апробация работы Основные результаты работы докладывались и
обсуждались на научно-технических конференциях:
«Интеллектуальные системы управления и обработки информации» Всероссийская Молодежная НТК. Уфа УГАТУ 2003;
Всероссийской научно-технической конференции. - Пермь: ПГТУ, 2006;
- IV РНТК молодых специалистов, инженеров и техников,
посвященной годовщине образования ОАО "УМПО", Уфа, УМПО, 2009 г.
- Результаты отдельных этапов и работы в целом обсуждались на НТС кафедры «Авиационные двигатели» УГАТУ.
Публикации По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 1 статья в издании из списка ВАК.
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, пяти глав основного материала, библиографического списка из 72 наименований, изложенных на 146 страницах, 89 иллюстраций и одного приложения.
Эрозионный износ деталей проточной части ГТД при эксплуатации в запылённой атмосфере.
При эксплуатации вертолетных и танковых газотурбинных двигателей возникла проблема износа проточной части песком и пылью, а также проблема отложений пыли и солей в отдельных местах проточной части [8, 11, 17, 30, 48,]. Затем эти проблемы обострённо встали в связи с применением конвертированных авиационных двигателей в наземных энергетических установках [12, 28, 33, 36, 49, 65]. Аналогична проблема капельной эрозии деталей ГТД существует при эксплуатации в морских условиях. В [30] изложены теоретические и инженерные основы эрозионной прочности при высокоскоростном взаимодействии частиц с твёрдым телом, описывающие износ лопаток компрессора ГТД.
Как известно, вертолеты длительно эксплуатируются вблизи поверхности земли, совершают посадки на неподготовленные площадки, что вызывает повышенную опасность в связи с попаданием песка, пыли и мелких камней во входные устройства двигателей. Несущий винт, отбрасывая в сторону земли большие массы воздуха, способствует повышению запыленности. Проблема защиты двигателей от попадания пыли и песка стала одной из наиболее актуальных для вертолетных двигателей [13].
Последствия эрозии проявляются в ухудшении характеристик двигателя, потере газодинамической устойчивости компрессора, изменения частот собственных колебаний и повышение вибрационных напряжений, поломке лопаток, сокращении срока его службы. При работе двигателя в условиях сильной запыленности атмосферы поступающая пыль оказывает эрозионное воздействие на лопатки компрессора и турбин, а также может осаждаться в виде твердого осадка на деталях горячей части двигателя. На рисунке 1.1 представлены последствия предельного эрозионного износа лопаток направляющего аппарата осевого компрессора.
Характер влияния запыленного воздуха на работу двигателя зависит от физико-химической природы пыли, ее дисперсного состава и концентрации пыли в общем объеме воздуха, засасываемого компрессором двигателя.
Направляющий аппарат после длительной работы в условиях запылённой атмосферы [66] Пыль в размягченном виде может также откладываться на лопатках компрессора, изменяя геометрию лопатки и ее шероховатость, что приводит к уменьшению КПД и соответственно снижению степени повышения давления и производительности компрессора. Максимальное количество отложений образуется на входном направляющем аппарате и первых ступенях компрессора [42].
В зависимости от уровня отложений в проточной части компрессора КПД компрессора может снижаться от 2 % по одним данным до 3-5 % - по другим, степень повышения давления - на 5-7 %, а мощность - на 10-17 % [13, 59]. Воздействие условий эксплуатации может носить обратимый и необратимый характер. В первом случае характеристики ГТД могут быть восстановлены путём промывки проточной части.
Технология эксплуатации энергетической установки должна предусматривать необходимость периодической очистки (промывки) проточной части.
Использование технологии промывки на работающем компрессоре позволяет восстановить до 4% мощности от текущего значения, а полная промывка на неработающем компрессоре - к полному восстановлению мощности [38]. Фирма «Турботек» рекомендует для ГТУ ABB, Slemne, JIM3 очистку проточной части компрессора производить до 40 раз в год на работающем двигателе и раз в два месяца на неработающем.
Отложения пыли на деталях двигателя и их абразивный износ при воздействии твердых частиц пыли могут привести как к параметрическим отказам, так и к преждевременным разрушениям деталей двигателя.
Вследствие абразивного износа деталей проточной части ухудшаются газодинамические характеристики проточной части двигателя, и как результат этого дополнительно уменьшается КПД компрессора, степень повышения давления и снижается мощность двигателя.
В начальной стадии абразивного износа КПД компрессора, степень повышения давления и соответственно мощность двигателя изменяются незначительно, затем из-за износа происходит существенное искажение профиля проточной части, в результате чего КПД компрессора, степень повышения давления и мощность резко уменьшаются (уменьшение мощности может достигать 18-22% [60].). Дальнейшее увеличение массы пыли, проходящей через двигатель, обусловливает значительный износ профиля перьев лопаток и соответственно увеличение профильных и концевых потерь. В результате этого развивается колебательный режим течения воздушного потока, переходящий в неустойчивый, помпажный режим работы компрессора.
Таким образом, из-за воздействия запыленного потока воздуха могут иметь место параметрические отказы, обусловливающие отклонение параметров двигателя от установленных нормированных значений. Кроме параметрических отказов воздействие запыленного потока может привести к изменению долговечности и разрушению деталей двигателя, подверженных абразивному износу.
Исследование физической картины (явления) износа лопатки компрессора под воздействием пылевой эрозии
Возможны два механизма износа лопаток компрессора при работе на запыленном воздухе - ударный и истиранием. [30]
На рисунке 2.1 показана траектория движения частиц пыли в решётке компрессора. При ударном износе частицы пыли не успевают отклониться вместе с потоком воздуха и ударяются о рабочую поверхность лопатки: происходит снятие стружки при ударе, после чего частица отскакивает обратно в поток.
При износе истиранием частицы пыли перемещаются вместе с потоком вдоль поверхности лопатки, прижимаются к ней аэродинамическими или центробежными силами и, царапая поверхность острыми кромками, изнашивают ее по всей длине.
В первую очередь следует рассмотреть ударный износ, как наиболее характерный для компрессора.
Участки поверхности лопаток компрессора, подверженные ударному износу (рисунок 2.2), определяются траекторией движения частиц пыли в межлопаточном канале, обусловленной воздействием аэродинамических сил, интенсивность влияния которых зависит от размеров и начальной скорости частиц. С уменьшением размеров частицы ее масса, следовательно, и сила инерции уменьшается быстрей, в результате траектория движения частицы приближается к траектории воздушного потока (рисунок 2.3).
Более крупные частицы, размером свыше 10 мкм движутся примерно прямолинейно в соответствии с направлением их скорости перед лопаточным венцом, ударяются о поверхность лопатки, отделяют от нее частицу металла и отскакивают от поверхности с меньшей скоростью, продолжая движение в новом направлении, наиболее мелкие частицы примерно следуют за потоком.
Наиболее неблагоприятные условия, приводящие к эрозии элементов конструкции, создаются, когда в проточную часть двигателя попадают крупные частицы кварцевой пыли.
Вертолётные двигатели четвёртого поколения с высокими параметрами термодинамического рабочего цикла, в общем случае, могут широко эксплуатироваться только при наличии устройств, защищающих их от проникновения в проточную часть значительных количеств пыли, [43] необходимо в возможно большей степени учитывать реальные условия запылённости, встречающиеся в эксплуатации. Имеется в виду концентрация пыли в воздухе, поступающим в двигатель, дисперсный и химический состав этой пыли.
В главе 1 По вопросам запылённости воздуха вокруг вертолётов и состава пыли, засасываемой в вертолётные двигатели, к настоящему времени проведено много исследований, как в нашей стране, так и за рубежом.
Спектр возможных концентраций и дисперсных составов пыли при её засасывании в двигатель весьма широк .Для средних вертолётов при взлётах, посадках и висении вблизи поверхности земли наиболее типична концентрация пыли при песчаных почвах к= 0,1-0,3 г/м при лессовых и супесчаных почвах к= 0,02 - ОД г/м3.
Для исследований размеры частиц в запылённом воздухе можно принять ограниченными в диапазоне 5=1-1000 мкм. Химический состав пыли, попадающей во вход вертолётных ГТД, во многом определяет эрозионную способность этих частиц и склонность их к образованию отложений в проточной части двигателя. Основным химическим компонентом поверхностного слоя почв, независимо от её типа является кварц (8Ю2), который характеризуется высокой твёрдостью и играет основную роль в эрозионном износе элементов проточной части двигателя.
В песчаной почве содержится до 97% кварца по массе, супесчаной до 90%, в чернозёме до 44% и в лессовой до 65%. В почве содержится и ряд оксидов металлов - А1203, Ре203, СаО, М О. Эти оксиды также достаточно твёрдые и играют существенную роль в эрозионном износе элементов проточной части двигателя, но в меньшей степени, чем кварц
В мировой практике для специальных пылевых испытаний (СПИ) часто используется кварцевая пыль с дисперсными составами, принятым в руководствах США, обозначаемая как пыль «С» и пыль типа крупная «АС». В пыли типа «С» содержаться частицы 8=40-1000 мкм. Среднемассовый размер в дисперсном составе этой пыли 8=200 мкм. Пыль типа крупная «АС» более мелкая. Размер частиц в этой пыли 8=1-200 мкм при среднем 8=30 мкм. Пыль типа «С» и крупная «АС» вполне характерна для условий эксплуатации двигателей. Если подвергать СПИ вертолётный двигатель малой или средней размерности, то заведомо можно сказать, что без пылезащитного устройства (ПЗУ) эрозионные испытания требуемой продолжительности - 50 часов при забросе в тракт пыли типа «С» и крупная «АС» двигатель не выдержит [51]..
Следует отметить, что исследуемый двигатель скорее крупноразмерный в сравнении с вертолетными , и наработал без ПЗУ около 128 часов.
Учитывая, что работа многих типов двигателей в условиях запылённого воздуха практически неизбежна, а одно из важнейших требований к новым двигателям это их надёжность и долговечность в эксплуатации, необходимость расширения и углубления научного задела по вопросам работоспособности двигателя в реальных условиях эксплуатации очевидна. Основные сведения о структуре пыли были использованы при моделировании мультфазных течений в криволинейном канале в главе 5 раздел 5.3.
Если область износа однозначно определяется, исходя из прямолинейной траектории движения частиц пыли в канале, то величина износа зависит от ряда факторов. Основными из них являются: угол и скорость соударения частиц пыли с поверхностью лопатки, концентрация пыли в воздухе перед ступенью и продолжительность работы на запыленном воздухе, размер и минералогический состав частиц пыли, материал лопатки.
Износ корытца лопатки при работе на запыленном воздухе происходит неравномерно, усиливаясь к выходной кромке, как показано на рисунке 2.4. Это объясняется только изменением угла соударения частиц с поверхностью лопатки по длине хорды поскольку все остальные факторы, влияющие на величину износа, по длине хорды лопатки не изменяются. Влияние угла соударения на износ обусловлено изменением как числа частиц, приходящихся на единицу поверхности (пропорционально синусу «угла соударения»), так и «угла резания» при ударе частиц о поверхность. Совместное влияние этих двух факторов приводит к тому, что величина износа существенно меняется в зависимости от угла соударения у/. По опытным данным, полученным при обдуве запыленным воздухом плоских пластин, установленных под разными углами к набегающему потоку, максимальный износ получается при Р= 50 - 60, как это видно на рисунок 2.5 (в дальнейшем при моделировании для обозначения угла соударения принят символ у). На этом же рисунке приведены построенные по углу соударения данные о величине износа по хорде со стороны корытца лопаток неподвижной компрессорной решетки, полученные в тех же условиях, что и при испытании плоских пластин. Наблюдаемое совпадение показывает, что увеличение глубины износа корытца лопаток по мере приближения к задней кромке действительно является следствием только увеличения угла соударения частиц с поверхностью.
Скорость соударения частиц пыли с поверхностью существенно влияет на величину износа. Очевидно, что чем выше скорость частицы, тем больше будет разрушение поверхности лопатки при ударе и тем интенсивнее износ. На рисунках 2.8 и 2.9 можно наблюдать предельный эрозионный износ ротора компрессора.
Теоретическая зависимость износа от скорости соударения не установлена. Имеющиеся же экспериментальные данные (рисунок 2.6) показывают, что интенсивность ударного износа пропорциональна скорости соударения частиц с поверхностью в степени около 2.8, т. е. получаемая зависимость близка к кубической параболе. Эта зависимость одинакова как для неподвижных, так и для вращающихся лопаток. [13]
Общие сведения о работе ГСВ при очистке трубопровода в условиях запылённой атмосферы
ГСВ эксплуатировался в климатических условиях типа полупустыня, то есть с повышенной концентрацией частиц абразивного вещества в воздухе: Республика Калмыкия, Краснодарский край, Ставропольский край. Установка находилась в эксплуатации 128 часов. Прекращение эксплуатации установки произошло вследствие трёх последовательных помпажей. ГСВ эксплуатировался на следующих режимах: - запуск - малый газ - холостой ход, -рабочий режим. Под режимом холостой ход понимают работу установки при частоте вращения п1пр более 86 процентов без отбора воздуха. Работа в условиях запыленной атмосферы приводит к изменению характеристик установки по отношению к стендовым характеристикам. Для анализа параметров в качестве базового режима выбран режим "холостой ход" т. к. именно на этом режиме получена наиболее полная информация о состоянии установки и на нем наступила потеря газодинамичкской устойчивости- помпаж. Для исследования используются параметры пь п2, Рк в приведенных величинах, полученные при работе ГСВ в запыленной атмосфере, по мере наработки. Сравнение этих точек с исходной дроссельной характеристикой, позволяет получить отклонение параметров в процессе работы. Затем вычисляются значения относительных отклонений параметров Дп2, Аи, ДРК по мере наработки (рисунок 3.10). изменение параметров в пределах наработки 70-80 часов, скорее всего, следует считать следствием работы в слабо запыленных условиях, т. к. последующее изменение происходит довольно резко. Из анализа зависимости видно, что частота вращения п2 сохранялась постоянной до 80 часов работы установки, после чего резко возросла. Стабилизация параметров в интервале наработки 95-120 ч опять же, вероятно, отражает работу в более-менее чистой (беспыльной) атмосфере. В конце работы установки (1 120 ч), произошли три помпажа, отмечено увеличение частоты вращения п2 на 7 %. Поведение параметров п2 и Ь? в функции наработки в определенной мере напоминает тенденции изменения их в процессе длительной (до 1000 ч) наработки базового двигателя на стенде и при эксплуатации на самолете. По крайней мере, отмечается рост п2 более 1% и изменение
В предыдущих работах, где обращались к этим материалам [2], давалась фактическая картина явления, но не ставилась цель создания модели «износа» двигателя. Однако утверждалось, что «такая цель в последующем должна быть поставлена и для ее решения могут быть использованы данные о картине эрозионного износа элементов проточной части компрессора и турбины». Именно такая цель ставится в данной работе. Попытка рассчитать и использовать коэффициенты влияния, такие как «производительность- КПД» для обоих компрессоров, КНД и КВД, и оценить их комбинации, описывающие явления на разных этапах эрозионного износа, в т. ч. даже привлекая ухудшение характеристик других узлов, например, турбины, оказалась неэффективной, вероятно, из-за большой степени износа, а также упущенных возможностей по регистрации параметров в процессе эксплуатации.. Выводы к главе 3 1. Генератор сжатого воздуха предназначен для эксплуатации в составе передвижной компрессорной установки ПКУ-30/0,8, используемой для продувки и очистки магистральных газо-нефтепроводов, а также для вытеснения воды из магистральных трубопроводов после гидроиспытаний. ГСВ разработан НПП «МОТОР» на базе авиационного турбореактивного двигателя Р13-300. При ограничении температуры газа на уровне базового двигателя максимальный отбор воздуха составляет 19 кг/с, выбран режим, обеспечивающий достаточный в нормальных условиях запас газодинамической устойчивости КПД не менее 24% с отбором воздуха. 2. ГСВ эксплуатировался в климатических условиях типа полупустыня, то есть с повышенной концентрацией частиц абразивного вещества в воздухе: Республика Калмыкия, Краснодарский край, Ставропольский край. Установка находилась в эксплуатации 128 часов. 3. После 80 часов эксплуатации частота вращения роторов резко возросла, через 120 часов произошло три помпажа, увеличение частоты вращения п2 составило 7%.
Сравнение твердотельных моделей новой и изношенной лопаток
В ходе отработки опытной компрессорной установки исследуемый ГСВ эксплуатировался в условиях запыленной атмосферы, в климатических условиях типа полупустыни, то есть с повышенной концентрацией абразивных частиц в воздухе.
После разборки двигателя можно наблюдать значительный износ лопаток как рабочих колес (рисунок 2.7, 2.8), так и направляющих аппаратов компрессора (рисунок 1.1) и турбины рисунок 2.11. Произведено сравнение новой лопатки (рисунок 4.6 а) и лопатки снятой с двигателя (рисунок 4.6 б). На рабочих лопатках первых двух ступеней компрессора низкого давления износ практически отсутствует. Рабочие лопатки 3-8 ступеней имеют значительный износ в периферийной части, возрастающий по мере уменьшения размеров лопаток. Толщина входной и выходной кромок лопаток напоминала лезвие бритвы. На последней ступени на периферии хорда уменьшилась практически до нуля (рисунок 4.6 в). Износ лопаток направляющего аппарата имеет максимальную величину на некотором удалении от периферии (рисунок 1.1).
Износ лопаток рабочего колеса и направляющего аппарата на периферии значительно больше чем в корневом сечении лопаток. Характер данного вида износа объясняется наличием сепарирующего эффекта в компрессоре, когда концентрация абразивных частиц на периферии гораздо больше, чем в корневом сечении рабочих лопаток, также как и относительная скорость потока. В направляющем аппарате в пристеночном слое уменьшается скорость воздуха (и частиц), поэтому эрозия меньше.
По рабочим чертежам в CAD системе KoMnac-3D были построены трёхмерные твердотельные математические модели. В пространстве задавались поверхности соответствующие плоским сечениям в чертеже. По данным таблицы с координатами точек спинки и корыта строились образующие спинки и корыта. С помощью булевской операции по сечениям получали перо лопатки. Кинематической протяжкой эскиза замка типа «ласточкин хвост» вдоль направляющей получали контур замковой части лопатки. На рисунке 4.7 а дано трёхмерное представление пера лопатки. Наложением моделей новой и изношенной лопатки (рисунок 4.7 б) можно воспроизвести точную картину характера и степени износа пера лопатки. Современные методы и средства измерений в совокупности с CAD системами твердотельного моделирования позволяют проводить качественную адекватную оценку состояния деталей и узлов ГТД после эксплуатации в любой степени износа или деформации при любых факторах воздействия, см., например, рисунок 4.12
Анализ дефектов и отказов газотурбинных двигателей летательных аппаратов и газотурбинных приводов наземных установок показывает, что их причиной часто бывают разрушения рабочих лопаток из-за повышенных динамических напряжений. Поэтому процесс проектирования авиационных двигателей и энергетических установок включает в себя проведения расчётов и экспериментальных исследований по оценке вибрационных характеристик рабочих лопаток компрессоров и турбин.
Расчет частот и форм собственных колебаний рабочих лопаток КВД новой и изношенной проведен методом конечных элементов. Математические и расчетные модели построены по чертежам и результатам измерений системы ОПТЭЛ.
Разбиение модели на расчётную сетку осуществлялось с применением компьютера на базе процессора INTEL Core2 Duo Е-8400 и объемом оперативной памяти 8 Gb. Модель новой лопатки состоит из двух частей - перо и хвостовик с радиусом перехода (рисунок 4.8 а). Перо разбито на 10000 элементов Solid 45, количество узлов - 12546, хвостовик состоит из 14228 элементов Solid 95. [6]
Модель изношенной лопатки разбита целиком на 24989 элементов Solid 95, количество узлов - 41407 (рисунок 4.8 б). Solid 45-8 узловой гексагональный элемент, Solid 95 - 20 узловой гексагональный элемент, преобразованный в тетраэдральный.
Расчет проведен на двух режимах при частотах вращения п=0 и nmax=11156 об/мин с учетом газовых сил и температурного поля, с жёсткой заделкой хвостовика по контактным поверхностям.
