Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние проблемы очистки проточной части ГТД 13
1.1. Основные условия и источники возникновения загрязнений проточной части ГТД и их влияние на изменение энергетических характеристик при эксплуатации 14
1.2. Обзор научно-технических источников о механизме образования пленок загрязнений на поверхностях деталей проточной части ГТД 20
1.3. Обзор существующих методов и средств очистки проточной части двигателя 23
1.4. Обзор теоретических исследований, конструкций и методик расчета систем очистки поверхностей деталей 33
1.5. Обзор применяемых промывочных композиций и оценка степени их эффективности и влияния на состояние деталей проточной части 36
1.6. Обзор применяемых методик оценки уровня загрязнений при эксплуатации ГТД и сроков проведения очистки 41
Глава 2. Теоретическое обоснование и разработка модельных представлений системы влажной очистки проточной части ГТД 49
2.1. Теоретическое обоснование и построение многофакторной концептуальной модели влажной очистки 49
2.2. Разработка математической модели процесса влажной очистки 54
2.3. Разработка расчетной модели процесса влажной очистки и алгоритма выбора его параметров 60
2.4. Разработка геометро-кинематической модели устройства для реализации влажной очистки 66
2.4.1. Теоретическое обоснование конструктивной схемы устройства для влажной очистки проточной части ГТД з
2.4.2. Теоретическое обоснование взаимосвязи рабочих параметров устройства для очистки и входной части ГТД 71
2.4.3. Разработка геометро-кинематической модели устройства для очистки и алгоритма выбора его параметров 74
2.5. Расчетная оценка основных параметров процесса влажной очистки и устройства для его реализации 77
Глава 3. Разработка экспериментальной методики определения рациональных параметров режимов влажной очистки проточной части ГТД и средств ее реализации 84
3.1. Обоснование применения экспериментальной методики определения рациональных параметров режимов влажной очистки проточной части ГТД 84
3.2. Разработка конструктивно-схемного решения модельной малоразмерной стендовой установки для определения рациональных параметров режимов очистки 88
3.3. Разработка методики расчета и проектирования модельной малоразмерной стендовой установки 92
3.4. Разработка методики экспериментального проведения влажной очистки на стендовой установке и обработки результатов испытаний 99
Глава 4. Экспериментальная проверка адекватности модельных представлений условиям выполнения очистки и обобщение теоретических и экспериментальных результатов исследований 104
4.1. Экспериментальные исследования режимов влажной очистки на модельной стендовой установке 104
4.2. Оценка состояния проточной части и изменение режимных параметров двигателя в эксплуатационных условиях 113
4.3. Оценка эффективности влажной очистки проточной части ГТД при опытно-промышленных испытаниях 118
4.4. Разработка метода расчета и проектирования системы влажной очистки проточной части ГТД и алгоритма определения ее рациональных конструктивных и рабочих параметров 125
4.5. Рекомендации по периодичности проведения влажных очисток проточной части ГТД 130
Заключение 134
Условные обозначения и сокращения 136
Список литературы 1
- Обзор теоретических исследований, конструкций и методик расчета систем очистки поверхностей деталей
- Разработка математической модели процесса влажной очистки
- Разработка конструктивно-схемного решения модельной малоразмерной стендовой установки для определения рациональных параметров режимов очистки
- Оценка эффективности влажной очистки проточной части ГТД при опытно-промышленных испытаниях
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Эффективная эксплуатация газотурбинных двигателей (ГТД) как авиационных, так и наземного применения, энергетических установок (ЭУ) невозможна без обеспечения высоких показателей надежности и экономичности. Непосредственное влияние на эти параметры оказывает состояние деталей проточной части газотурбинных двигателей, в процессе эксплуатации которых происходит загрязнение ее элементов пылью, солями, частицами масла, сажей, несгоревшими остатками топлива и др. Это приводит к нерасчетному изменению геометрии проточной части и искажению в ней полей давлений и скоростей, что, в свою очередь, вызывает ухудшение энергетических характеристик и вибрационного состояния двигателя, а именно: снижение расхода воздуха и давления за компрессором, мощности и КПД, рост вибронапряженности элементов его конструкции. Загрязнение двигателя существенно зависит от условий, в которых он эксплуатируется, при этом в наибольшей степени загрязняются элементы проточной части компрессора. Повышенное загрязнение особенно характерно при эксплуатации авиационных ГТД в наземных условиях, например, при использовании их в качестве привода газоперекачивающих агрегатов в магистральных газопроводах. Так, загрязнение проточной части осевого компрессора при работе в указанных условиях приводит к уменьшению расхода воздуха до 6% и снижению КПД компрессора на 2^-3%, что вызывает снижение эффективного КПД до 2^5%, полезной мощности двигателя до 10%, при этом расход топлива возрастает до 10%. Поэтому восстановление энергетических характеристик и улучшение энергетического состояния ГТД путем очистки проточной части является важной и актуальной темой исследования.
Степень разработанности темы. Для восстановления энергетических характеристик и улучшения вибрационного состояния газотурбинных двигателей в настоящее время применяются различные способы очистки их проточной части. Наибольшее распространение среди них получил способ влажной очистки проточной части различными моющими жидкими растворами. Но, несмотря на многолетний опыт, основанный на эмпирическом подходе, теоретического обоснования применения и выполнения влажной очистки не получено. На данный момент не создано также методов расчета процессов очистки и выбора рациональных конструктивных параметров устройств для ее проведения. В этой связи разработка обобщенного метода расчета и проектирования системы влажной очистки, а также средств ее реализации, основанных на минимизации расхода моющей жидкости и оптимизации ее подачи на детали проточной части ГТД, является насущной задачей.
Цели и задачи. Цель работы - разработка обобщенного метода расчета и проектирования системы влажной очистки проточной части ГТД и средств ее реализации, обеспечивающих улучшение эксплуатационных показателей ГТД путем выбора рациональных, расчетно-обоснованных параметров процесса очистки и характеристик устройства для ее проведения.
Задачи исследования:
обоснование и построение многофакторной концептуальной модели системы влажной очистки проточной части ГТД, устанавливающей соотношение общего вида между интенсивностью разрушения (изнашивания) пленки загрязнений, её геометрическими и физическими характеристиками, рабочими параметрами воздушного потока в воздухозаборнике, его геометрией и параметрами жидкости-очистителя и устройства для очистки;
разработка математической модели процесса влажной очистки проточной части ГТД, позволяющей решить задачу определения параметров очистки в зависимости от
параметров режимов работы двигателя;
разработка геометро-кинематической модели устройства для влажной очистки, устанавливающей взаимосвязь его конструктивных и рабочих параметров с геометрическими и кинематическими параметрами воздухозаборника ГТД;
обоснование и создание методики расчета и проектирования модельной малоразмерной стендовой установки для определения рациональных параметров режимов влажной очистки проточной части ГТД в лабораторных (заводских) условиях;
экспериментальная проверка теоретических зависимостей и выдвинутых положений, при которых обеспечиваются основные требования к очистке и восстановление рабочих параметров ГТД;
разработка на основе полученных модельных представлений и экспериментальных данных обобщенного метода расчета и проектирования системы влажной очистки проточной части ГТД и средств ее реализации.
Научная новизна заключается в следующем:
разработана многофакторная концептуальная модель системы влажной очистки проточной части ГТД, устанавливающая взаимосвязь всех основных конструктивных, технологических и эксплуатационных параметров; показана перспективность ее использования как основы для анализа по выявлению наиболее значимых факторов и выбору направлений расчетно-аналитических и экспериментальных исследований;
обоснована декомпозиция сложной концептуальной модели на блоки-модели второго уровня: модель процесса влажной очистки и геометро-кинематическая модель устройства для влажной очистки;
выдвинуто и обосновано положение о рассмотрении процесса влажной очистки как изнашивание (разрушение) пленки загрязнений на элементах проточной части ГТД по механизму процесса гидрогазовой эрозии при движении дисперсной системы частиц жидкой среды в воздушном потоке работающего двигателя, что позволило разработать математическую модель процесса влажной очистки, позволяющую решить задачу определения параметров очистки в зависимости от конструктивных и режимных параметров работы двигателя;
разработаны геометро-кинематическая модель устройства для влажной очистки и алгоритм выбора его конструктивных и рабочих параметров в зависимости от геометрических, кинематических и рабочих параметров воздухозаборника ГТД;
предложено и обосновано определение рациональных параметров влажной очистки проточного тракта ГТД (давление подачи воздуха и жидкости-очистителя, продолжительность проведения очистки, расход жидкости и эффективность применяемых для этих целей жидкостей) проводить на модельной малоразмерной стендовой установке в лабораторных (заводских) условиях без дорогостоящих опытно- промышленных испытаний двигателей, в связи с этим создана методика расчета и проектирования указанного устройства;
разработан обобщенный метод расчета и проектирования системы влажной очистки проточной части ГТД и средств ее реализации, позволяющий адаптировать систему под любой газотурбинный двигатель на любом этапе его жизненного цикла, т.е. как на вновь создаваемых, так и эксплуатируемых в различных условиях, без проведения дорогостоящих опытно-промышленных испытаний.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Теоретическая значимость результатов работы заключается в создании впервые модельных представлений о процессе влажной очистки проточной части работающего газотурбинного двигателя и разработке на этой основе обобщенного метода расчета и проектирования системы очистки и средств её реализации.
Практическая значимость результатов работы состоит в том, что:
применение разработанной системы влажной очистки и созданного устройства для ее реализации позволяет обеспечить высокую эффективность как в части удаления загрязняющих веществ с элементов проточного тракта двигателя и восстановления его экономических показателей, так и в части экономии расходных средств и удобства обслуживания при выполнении операции очистки, о чем свидетельствуют опытно-промышленные испытания двигателя НК-12СТ и исследования на малоразмерном стенде в лабораторных (заводских) условиях;
применение разработанной методики определения рациональных параметров режимов влажной очистки проточного тракта ГТД на малоразмерной стендовой установке без проведения опытно-промышленных испытаний двигателей, позволяет существенно снизить затраты времени и средств на внедрение в эксплуатацию системы и устройства для влажной очистки;
разработанные метод влажной очистки проточной части ГТД и конструктивная схема устройства апробированы в опытно-промышленных условиях и показали высокую эффективность как с точки зрения удаления загрязняющих веществ с элементов тракта двигателя и восстановления его экономических показателей, так и в части удобства обслуживания при выполнении очистки;
метод и устройство универсальны, поэтому разработанный расчетный алгоритм может быть адаптирован под любой газотурбинный двигатель, как вновь создаваемый, так и эксплуатируемый в различных условиях без проведения дорогостоящих опытно-промышленных испытаний;
разработанные метод расчёта и алгоритм выбора рациональных параметров могут быть использованы при проектировании новых ГТД, а также при их модернизации. При этом снижаются затраты времени и средств на проектирование, доводку и внедрение, т.к. метод имеет высокую достоверность и учитывает все основные конструктивные, технологические и эксплуатационные факторы;
Метод расчёта и проектирования системы влажной очистки внедрен на ОАО «КУЗНЕЦОВ», г. Самара. Результаты проведённых исследований использованы при создании технической документации авиационных ГТД. Конструкция устройства для влажной очистки предложена для производства на двигателестроительных предприятиях и применяется в учебном процессе СГАУ.
Методология и методы исследования. Общий методологический подход к решению проблемы базируется на системном анализе, математическом и расчетном моделировании процессов, протекающих в проточной части газотурбинного двигателя. Для решения задач использовались методы математического анализа, гидрогазодинамики, трибологии и проведения модельных и натурных экспериментов.
Объекты исследования:
устройство для влажной очистки проточной части ГТД;
модельная малоразмерная стендовая установка для экспериментальных исследований процессов влажной очистки элементов компрессора и определения рациональных параметров ее режимов.
Предметом исследований являются:
процессы взаимосвязи и взаимовлияния элементов системы влажной очистки и конструктивно-эксплуатационных параметров входной части ГТД и их влияние на интенсивность разрушения (изнашивания) пленки загрязнений на деталях проточной части;
Положения, выносимые на защиту:
многофакторная концептуальная модель системы влажной очистки проточной части ГТД, устанавливающая взаимосвязь между интенсивностью разрушения (изнашивания) пленки загрязнений, её геометрическими и физическими характеристиками, рабочими параметрами воздушного потока в воздухозаборнике, его геометрией и параметрами жидкости-очистителя и устройства для очистки, а также её декомпозиция на блоки-модели второго уровня: модель процесса влажной очистки и геометро- кинематическую модель устройства для влажной очистки;
математическая модель процесса влажной очистки, позволяющая решить задачу определения параметров очистки от конструктивных и режимных параметров работы двигателя;
геометро-кинематическая модель устройства для влажной очистки, устанавливающая взаимосвязь его конструктивных и рабочих параметров с геометрическими, кинематическими и рабочими параметрами воздухозаборника ГТД;
положение о целесообразности определения рациональных параметров влажной очистки проточной части ГТД на модельной малоразмерной стендовой установке в лабораторных (заводских) условиях без проведения дорогостоящих опытно- промышленных испытаний двигателей; методика расчета и проектирования указанного устройства; результаты экспериментальных исследований по подтверждению адекватности модельных представлений;
обобщенный метод расчета и проектирования системы влажной очистки проточной части ГТД и средств её реализации.
Степень достоверности разработанных моделей и полученных результатов исследований подтверждена сходимостью результатов расчета с экспериментами данными, полученными на специально созданном модельном стенде, опытно-промышленными испытаниями двигателя и данными других авторов.
Апробация результатов исследования. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (СГАУ, Самара, 2009), молодёжной научно-технической конференции с международным участием «Х Королёвские чтения» (СГАУ, Самара, 2009), пятой Всероссийской школе-семинаре аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (УГАТУ, Уфа, 2010), II международной молодежной научной конференции «Гражданская авиация: 21 век» (УВАУГА, Ульяновск, 2010), III международной научно-технической конференции «Авиадвигатели XXI века» (ЦИАМ, Москва, 2010), международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (СГАУ, Самара, 2011), международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трибологии» (СНЦ РАН, Самара, 2011), международном научно-техническом форуме посвященном 100-летию ОАО «Кузнецов» и 70-летию СГАУ (СГАУ, Самара, 2012).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ. Из них: 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 статья и 8 тезисов докладов в иных изданиях.
Структура и объём работы. Работа изложена на 150 страницах, содержит 7 таблиц, 56 рисунков, состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы, включающего 122 источника.
Обзор теоретических исследований, конструкций и методик расчета систем очистки поверхностей деталей
Для описания различных механизмов образования связей инородных веществ с поверхностью деталей проточной части двигателя проведем, не вдаваясь глубоко в теорию вопроса, краткий анализ взаимодействия воздушной среды, поступающей в двигатель, с указанными поверхностями.
Воздух, засасываемый в воздухозаборник двигателя, как показано выше, содержит в своем составе большое количество твердых и жидких частиц, поэтому естественно его считать многофазной средой. В процессе работы двигателя между указанной средой и деталями проточной части двигателя непрерывно протекают интенсивные обменные процессы энергией. Непосредственно реализация этих процессов осуществляется поверхностью деталей проточной части. Указанные поверхности непрерывно подвергаются микроударам жидких и твердых частиц [30,69,70,97,104,117].
Так как поверхности деталей не идеально гладкие, имеют многочисленные несовершенства разных форм и степени неоднородности -от неизбежной микрошероховатости, оставляемой от предыдущей технологической обработки, до возникновения целого спектра так называемых центров. Согласно представлениям И.В. Крагельского, М.Н. Добычина, B.C. Комбалова [45], Ф.П. Боудена и Д. Тейбора [16], С. Моррисона [59], Н.К. Адама [3] любая поверхность неизбежно имеет такие центры в виде кристаллографических ступеней, мест выходов дислокаций, вакансий и других несовершенств.
На поверхности любого твердого тела атомы или молекулы находятся в неуравновешенном состоянии. Она характеризуется поверхностной энергией, которая может иметь значительную величину, например для металла порядка 2000- -4000 эРг/ 2 [45,46]. Наличие вышеуказанных несовершенств поверхностей приводит к увеличению фактической площади поверхностей, следовательно, к увеличению их поверхностной энергии.
Механизм образования грязевых отложений при взаимодействии поверхностей проточной части с многофазной средой можно рассматривать в два этапа. На первом этапе - механическом, происходит микроударное взаимодействие жидких и твердых частиц, содержащихся в воздушном потоке. Твердые частицы при ударе могут наносить дополнительные микроповреждения поверхностей, разрушаясь при этом на еще более мелкие фракции [63,105]. Жидкие частицы (масло, топливо, вода) при микроударах заполняют все микропоры и несовершенства рабочих поверхностей.
На втором этапе - молекулярном (адгезионном) взаимодействии -происходят следующие превращения. Часть кинетической энергии микроударов частиц затрачивается на проталкивание жидкости в микропоры поверхности, на разбрызгивание и испарение жидкости; другая ее часть превращается в тепловую энергию в виде температурной вспышки в местах контактного взаимодействия. В результате в плотнозаполненных микрорезервуарах могут происходить процессы многостадийной полимеризации углеводородных сред [29,106]. По мере наработки двигателя на поверхностях деталей образуются вязкие пленки, в которых постепенно накапливаются пылевидные частицы.
Схема соударения капли жидкости и взаимодействия с поверхностью детали представлена на рисунке 1.4.
Образовавшиеся связи условно можно назвать адгезией, понимая под этим все виды межмолекулярного взаимодействия между поверхностями деталей и пленками загрязнений (ван-дер-ваальсовы связи, электростатические силы и др.) Адгезия зависит от силы взаимодействия между атомами, молекулами или функциональными группами контактирующих тел, которые обусловлены их природой. Так, прямое измерение этих сил между контактирующими металлическими телами, проведенное Д. Тейбором совместно с Ж.Н Израелишвили [114] и Б. Бриско [111], показало, что по величине указанные силы достаточны для переноса материала с одной поверхности на другую.
Исследованиями электроадгезионных связей при контактировании существенно разнородных тел таких как полимер-металл, выполненными Б.В. Дерягиным совместно с И.И. Абрикосовой и Н.А. Кротовой, В.П. Смилга [27], показано, что адгезионная связь электростатической природы больше ванн-дер-ваальсовой силы, но обладает меньшим радиусом действия. Ее роль весьма существенна при образовании химической связи — хемосорбции.
Разработка математической модели процесса влажной очистки
Удаление пленки загрязнений с поверхности деталей проточного тракта газотурбинного двигателя с помощью впрыска на входном участке в воздушный поток жидкости-очистителя можно представить как явление гидрогазовой эрозии пленки, т.е. изнашивание (разрушение) ее при движении дисперсной системы частиц жидкой среды в воздушном потоке работающего двигателя [86,88]. В настоящее время, по мнению Ю.С. Козлова с сотрудниками [36,37], считается, что такой способ является наиболее эффективным способом очищающего воздействия на поверхность за счет механического и физико-химического факторов.
Для совершенствования процессов очистки от загрязнений необходимо знать скорость этих процессов, которую можно представлять как в традиционном понимании, те. в виде изменения линейного параметра, например, толщины, в единицу времени или согласно ГОСТ 27674-88 как изменение линейного параметра на единицу пути трения. Последняя величина носит название «интенсивность изнашивания» и обозначается Ih
В качестве основной характеристики для описания процесса разрушения и удаления пленки загрязнений с поверхности деталей проточного тракта двигателя в настоящем исследовании предложено принять вышеназванный параметр Ih, модифицированный под рассматриваемый случай гидрогазоэрозионного разрушения в виде изменения толщины пленки на единицу длины обтекания воздушно-жидкостной смесью очищаемых поверхностей за время очистки [87,92]. Традиционные модельные представления эрозии рассматривают ее как кумулятивный процесс [4,5,8,32,34], при котором разрушение поверхности материала вызывается приложением многократной ударной нагрузки отдельной частицей. В рассматриваемом случае при движении воздушно-жидкостного потока по проточному тракту двигателя, как показано на рисунке 2.1,а, можно видеть, что помимо вышеназванных механических факторов, влияющих на процесс разрушения, вносят свой существенный вклад гидродинамические эффекты, кавитационные явления [38,39,40], химическое взаимодействие частиц активной жидкости и материала пленки загрязнений и др.[2,14,21,41,107].
Из рассмотрения движения воздушно-жидкостного потока по проточному тракту двигателя, рисунок 2.1,а, можно априори утверждать, что все указанные явления имеют место на поверхностях деталей, образующих проточную часть. Это хорошо подтверждается исследованиями G.S. Springer [117] по эрозии металлов при воздействии воздушно-жидкостной среды.
Для математического представления этого явления в общем виде произведем структуризацию процесса очистки [86], имея в виду, что непосредственное выполнение ее может производится как на работающем двигателе на одном из его режимов работы, так и после его останова на холодных прокрутках от пусковой турбины.
Структурная схема функционирования системы очистки, представленная на рисунке 2.1,6, содержит следующие параметры и переменные [88]. В качестве параметров приняты М н X - механические и химические свойства пленки загрязнений, соответственно; геометрические характеристики L входной части двигателя, устройства для очистки и пленки загрязнений; параметры рабочего процесса в воздухозаборнике на соответствующем режиме работы двигателя - расход воздуха в единицу времени Ge(i), его температура Т {1) и давление р ф), время (продолжительность) очистки г,, где /-условный номер режима работы двигателя: / - номинальный режим работы, // - режим малого газа, III -холодные прокрутки двигателя от пусковой турбины. Переменными процесса очистки являются подаваемое из встроенного в воздухозаборник 1 устройства 2, как показано на рисунке 2.1,6, количество жидкости-очистителя GMl), ее температура Тж{1) и давления рж(1).
Разработка конструктивно-схемного решения модельной малоразмерной стендовой установки для определения рациональных параметров режимов очистки
Как известно [26,33,96], решение сложных технически и экономически затратных задач с помощью модельного эксперимента имеет широкое распространение. При этом сложность заключается в том, насколько удачно будет выбрана и разработана модель процесса системы или технического объекта [57,78]. В авиационной технике это имеет тем более существенное значение, так как детали и узлы обычно отличаются сложностью формы и высокой стоимостью. Особенно это касается деталей и узлов, составляющих проточную часть авиационного газотурбинного двигателя.
Полученные в главе 2 расчетные зависимости (2.9) и (2.14) по определению интенсивности разрушения (изнашивания) пленки загрязнений Ih и оценке времени г проведения влажной очистки для окончательного их решения нуждаются в экспериментальном определении параметров, позволяющих вычислить значение коэффициента пропорциональности Ks и показателя степени as. Кроме того, необходима проверка адекватности назначенных параметров режимов влажной очистки действительным режимам испытаний двигателя и оценка правильности функционирования устройства для очистки.
Для решения поставленной задачи необходимо провести широкие экспериментальные исследования. Такие исследования можно выполнить на натурном газотурбинном двигателе, специально выделенном и препарированным для опытно-промышленных испытаний. Указанные испытания весьма затратные и длительны по времени проведения. Кроме того, в случае корректировки технического решения системы влажной очистки необходимо двигатель возвращать на фирму, проводить его частичную переборку и выполнять некоторые другие работы для повторных испытаний.
Другой путь решения поставленной задачи состоит в организации проведения испытаний в модельных условиях. Для этого впервые предложена, разработана и экспериментально реализована методика определения рациональных параметров режимов влажной очистки проточной части ГТД на модельной малоразмерной стендовой установке при испытаниях в лабораторных (цеховых) условиях [93]. При этом исключаются дорогостоящие опытно-промышленные испытания двигателя, а затраты на получение информации о внедрении системы влажной очистки сокращаются не менее, чем на порядок.
Разработке таких модельных представлений должен предшествовать этап, предусматривающий принятие определенных допущений и ограничений для получения математического описания процесса и устройства [33,78,79]. Но при этом полученная модель должна быть адекватна действительным условиям протекания процесса и отражать характеристики устройства. Так, при математическом описании модели процесса влажной очистки и модельной стендовой установки приняты следующие допущения и ограничения: - модельные испытания проводить в условиях, геометрически идентичных с натурными; - режимы испытаний имитировать натурные; - в качестве рабочего тела использовать воздух, подаваемый из заводской пневмосети или накачиваемый стационарным компрессором; - в качестве промывочно-очищающих жидкостей использовать жидкости, наиболее широко применяемые для влажной очистки в настоящее время в промышленности. При этом критериями оценки должны служить достоверность получаемой информации, быстрота её получения и невысокая стоимость выполнения процесса влажной очистки по сравнению с существующими методами.
Для соблюдения геометрически идентичных условий влажную очистку на модельной стендовой установке предложено проводить на кассете реальных (натурных) образцов в виде сектора лопаток, взятых из направляющего аппарата компрессора. При этом можно использовать как годные лопатки, так и бракованные по каким либо параметрам.
Имитация натурных режимов испытаний на модельной стендовой установке достигается за счет обдувки образцов, предварительно закрепленных на торце смесительной камеры установки, струей сжатого воздуха со скоростью, равной скорости воздушного потока в проточной части двигателя на режиме, принятом для проведения очистки, с одновременной подачей в смесительную камеру жидкости-очистителя. При этом давление подачи жидкости должно быть равным давлению, принятым для соответствующего режима очистки конкретного двигателя.
Подача рабочего тела — воздуха в смесительную камеру установки в объемах, не превышающих критичные для заводской пневмосети или другого источника сжатого воздуха, обеспечивается при проектировании подбором объема смесительной камеры, который определяется выбранными размерами кассеты образцов - лопаток.
Многократность влажной очистки одних и тех же образцов обеспечивается их повторным загрязнением специальной смесью, компоненты которой должны соответствовать действительным условиям эксплуатационных загрязнений (масло, нагар, частицы грунтовой пыли, пыльца растений и др.), с последующим спеканием в термической печи при температуре «150 С.
Для удовлетворения всех выдвинутых требований, допущений и ограничений модельная стендовая установка должна быть скомпонована так, чтобы она содержала следующие основные системы [60,61,62] (рисунок 3.1): 1) корпусную часть 1, включающую смесительную камеру 2 с обеспечением крепления кассеты образцов - лопаток 3 на одном из её торцев; 2) пневмосистему 4 с измерительно-регулировочной аппаратурой 5 для обеспечения подачи сжатого воздуха от источника 6 в смесительную камеру 2 под расчетным давлением и заданного расхода; 3) гидросистему 7 со своей измерительно-регулировочной аппаратурой 8, обеспечивающую подачу в смесительную камеру 2 от насосной станции 9 промывочно-очищающей жидкости под заданным давлением и соответствующего расхода.
Оценка эффективности влажной очистки проточной части ГТД при опытно-промышленных испытаниях
В начальной стадии внедрения в эксплуатацию газотурбинных двигателей на компрессорные станции в составе газоперекачивающих агрегатов, они не оснащались входными очистительными устройствами (ВОУ). При этом с увеличением наработки толщина загрязнения на деталях роторной части двигателя достигала 1...2 мм, а на деталях статора 2...3 мм. На рисунке 4.8 показано отложение пленки загрязнений на двигателе НК-12СТ при эксплуатации без ВОУ.
В дальнейшем, при совершенствовании системы очистки и внедрении ВОУ в конструкцию газоперекачивающего агрегата, интенсивность загрязнения деталей проточной части значительно снизилась, но тем не менее оказывает существенное влияние на рабочие параметры, т.к. входное очистительное устройство не обеспечивает полной очистки циклового воздуха, проходящего через проточную часть двигателя [90]. На рисунке 4.9 представлен график зависимости эффективности очищения циклового воздуха ВОУ ГПА-Ц-16, характеризуемой процентным содержанием пылевидных частиц, содержащихся в единице объема воздуха, от среднего диаметра включений. Средний диаметр загрязняющих частиц іїмкм Рисунок 4.9 - Зависимость эффективности очистки от среднего диаметра загрязняющих включений, находящихся в воздухе [108]
Как видно из представленной зависимости с уменьшением диаметра загрязняющих частиц и, соответственно, уменьшением их массы, значительно падает эффективность входных очистительных устройств.
Так, при использовании ВОУ в составе двигателя НК-14СТ имеющего общую наработку 274 часа, на лопатках входного направляющего аппарата и лопатках первой ступени, как видно из рисунка 4.10, наблюдается достаточно большое отложение загрязняющих веществ. Учитывая малую наработку с момента начала эксплуатации, следует подчеркнуть необходимость периодических влажных очисток с определенного отрезка времени от начала эксплуатации изделия.
После проведения анализа формуляров десяти двигателей НК-12СТ, имеющих среднюю наработку 15000 часов и работающих в разных географических зонах, построена гистограмма влияния загрязнения проточной части на основные рабочие параметры, показана на рисунке. Как видно из приведенного ниже графика, падение давления за компрессором достигает 1 1,5 кг/ г, а мощности от 1 до 2 МВт, что существенно влияет на экономические показатели. При этом, как указано в главе 1, самая высокая интенсивность загрязнения, а следовательно падение давления за компрессором приходится на первые 300-500 часов работы двигателя (рисунок 4.12). С дальнейшим увеличением наработки интенсивность загрязнения падает, но за счет постоянного динамического напора воздуха, проходящего через осевой компрессор, происходит увеличение прочности пленки загрязнений и ее коксование, что в последствии снижает эффективность влажной очистки проточной части, заключающуюся в том, что вызывает необходимость увеличения расхода промывочно-очищающей жидкости и времени очистки. В конечном счете все вышеуказанные факторы приводят к увеличению стоимости процесса очистки.
Влияние загрязнения деталей проточной части на рабочие параметры двигателя: t s - температура газов перед за турбиной, Ggnp - расход воздуха через двигатель, р-, - давление за компрессором, N приведенная мощность. Проведен анализ суточных ведомостей фиксации рабочих параметров двигателей НК-12СТ штатной системой измерений на ряде компрессорных станций, расположенных в разных климатических зонах - среднее Поволжье (КС «Сызрань», КС «Павловка»), северо-западная зона (КС «Бабаево», КС «Мышкино») и зона южного Урала (КС «Медногорск», КС «Саракташ»). По результатам анализа построен график зависимости уровня вибрации двигателя от его наработки в эксплуатации, представленный на рисунке 4.13.
Как видно из приведенной зависимости, с увеличением наработки двигателя имеет место непрерывная тенденция увеличения вибронапряженности элементов конструкции двигателя. Естественно, это можно отнести за счет загрязнения проточной части двигателя, вызывающей определенную разбалансировку его ротора, повышение динамических нагрузок на опоры и другие узлы и, в конечном счете, снижающую надежность его работы.
С учетом положительных результатов испытаний, полученных на модельной стендовой установке по определению рациональных параметров системы влажной очистки, проведены опытно-промышленные испытания по оценке эффективности влажной очистки проточной части двигателя НК-14СТ-10 №35125420301001 на режиме «холодной прокрутки». Наработка двигателя до начала проведения работ составила 4579 часов после последнего ремонта и 1493 часа после последней влажной очистки проточной части. Двигатель эксплуатировался в составе ГПА на компрессорной станции КС-24 Павловского ЛПУМГ [101]. Состояние деталей проточной части двигателя перед проведением очистки показан на рисунке 4.14.
Как видно из рисунка 4.14, на рабочих поверхностях входного направляющего аппарата и лопаток компрессора имеются отложения загрязняющих веществ. Толщина пленки загрязнений /ь, оцененная метрологическими средствами измерений, составляет в среднем величину 0,5 мм.
