Анализ влияния частиц пыли на параметры ступеней осевого компрессора Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.452.3

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ЧАСТИЦ ПЫЛИ НА ПАРАМЕТРЫ СТУПЕНЕЙ ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА И.А. Кривошеев, С.А. Струговец, Р.Ф. Камаева

Рассматриваются закономерности движения частиц пыли в проточной части компрессоров ГТД, особенности эрозии, изменения геометрии лопаток и изменения параметров и характеристик двигателей. Это позволяет учесть условия эксплуатации при проектировании двигателя, разработать меры по защите лопаток от эрозии и средства параметрической диагностики ГТД

Ключевые слова: эрозия, осевой компрессор, параметрическая диагностика

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время, по понятным причинам все большее внимание уделяется защите авиационных двигателей от пыли, в т.ч. вулканической (а также - при взлете, во время дождя и при полете гидросамолетов и экранопланов у водной поверхности - от капель воды и частиц снега) Окружающий воздух всегда загрязнен частицами пыли в большей или меньшей степени в зависимости от местонахождения и времени года. Частицы пыли, попадая в проточную часть газотурбинного двигателя (ГТД), приводят к изменению геометрических размеров лопаточных венцов и радиальных зазоров лопаточных машин. Из экспериментальных данных и данных, имеющихся в технической литературе [1, 4, 6], наиболее изнашиваемым элементом двигателя является компрессор. Износ происходит по входной кромке и корытцу лопаток, причем рабочие лопатки изнашиваются в большей мере, чем лопатки направляющих аппаратов.

Несмотря на то, что изучением изменений геометрических параметров лопаточных венцов занимаются в течение многих лет, проблема количественной оценки степени этих изменений является достаточно актуальной. Ведь изучение и знание протекания износа и степени изменения геометрии лопаток наиболее повреждаемого элемента ГТД - компрессора окажет существенную помощь при разработке новых методов диагностики компрессора, при создании методов и средств защиты от эрозии, а также позволит упорядочить технологический процесс дефектации лопаток при ремонте.

Кривошеев Игорь Александрович - УГАТУ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: krivosh@sci.ugatu.ac.ru

Струговец Сергей Анатольевич - ФГУП «УАП «Гидравлика», зам. главного конструктора,

e-mail: sas- mail@yandex.ru

Камаева Регина Филгатовна - УГАТУ, аспирант, e-mail: reginakamaeva@mail.ru

ПРЕДЫДУЩИЕ РАБОТЫ

Исследованию процесса эрозии посвящено большое количество работ, при этом имеющиеся в

технической литературе данные весьма противоречивы. По современным представлениям величина эрозии существенно зависит от угла соударения с поверхностью лопатки и скорости твердой частицы. По данным Шальмана Ю.И. [1], полученных экспериментально, путем обдува плоских пластин, наибольший износ получился в случае у = 50 - 600 , при этом, резкое изменение твердости материала почти не повлияло на величину износа. В работе [7] Кащеева В.Н. показано, что значение угла соударения существенно зависит от твердости материалов, при этом для мягких сплавов максимум износа при у = 200, для более хрупких у = 450, и для самых

хрупких у = 900. По данным, полученным в работе Билика Ш.М. [8], сделан вывод, что максимальный износ в большинстве случаев, происходит при у = 45 - 600.

Частицы пыли движутся иначе, чем воздушный поток. Различия в скоростях движения частиц и воздуха зависят от размеров, массы, парусности частиц и т.д. В работе В.Г. Терещенко [9], автор определил величину и направление скорости соударения абразивной частицы с лопаткой вентилятора. Использовано сочетание расчета скорости воздуха с практическим определением направления удара.

В работе Ф.П. Ходеева [2] была проведена работа по выявлению фактических диапазонов изменения геометрических параметров лопаточных венцов компрессора вдоль его проточной части в процессе выработки ресурса. В ряде работ предприняты попытки разработать теорию, описывающую соударение частиц с цилиндрической поверхностью и траекторию, при этом изучались траектории частиц разного размера при ударе о твердую поверхность,

соответствующие эффекты пограничного слоя, эффективность и плотность соударениия и т.д.

Несмотря на то, что изучению процесса посвящено большое количество работ, оценка изменений параметров и определение степени

эрозии является достаточно актуальной. Ведь с эрозией связано большое количество отказов и поэтому она заслуживает значительного внимания при проектировании.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ЗАПЫЛЕННОСТИ ВОЗДУХА НА ПАРАМЕТРЫ СТУПЕНЕЙ ОСЕВОГО

КОМПРЕССОРА И ПОСТРОЕНИЕ ТРАЕКТОРИЙ ДВИЖЕНИЯ ЧАСТИЦ ПЫЛИ В МЕЖЛОПАТОЧНОМ КАНАЛЕ

В данной статье проведена работа по выявлению геометрических размеров лопаточных венцов при эрозионном износе, а также определены скорости движения частиц пыли в канале, а также характер износа по проточной части.

В качестве предмета исследования использованы данные об изменении параметров компрессорной установки УКП-5 с генератором сжатого воздуха ГСВ-95 на базе авиационного ГТД Р95Ш [рис. 1] при работе ее в условиях сильной запыленности, последовавшими в итоге помпажами дефектации с контролем итоговой геометрии лопаток. Показанная на рисю1 установка УКП-5 предназначена для продувки магистральных трубопроводов. Летом и осенью 2000 году она эксплуатировалась на участках трассы строящегося нефтепровода КТК, проходящих по территории Республики Калмыкия и Ставропольского края, в запыленной атмосфере полупустынь с повышенной концентрацией частиц абразивного вещества в воздухе. УКП-5 не снабжена пылезащитным входным устройством.

Несмотря на принимавшиеся меры, такие как увлажнение грунта рядом с установкой и укладка защитного нетканого материала под входное устройство, начала интенсивно развиваться эрозия лопаток компрессора (в основном КВД, что определялось визуально через лючки осмотра ГСВ).

резкому изменению параметров работы ГСВ (велся подробный хронометраж). Эксплуатация УКП-5 была прекращена в связи с тремя случаями помпажа, после суммарной наработки около 128 часов (за два с половиной месяца эксплуатации в указанных зонах).

Рис. 2. Результаты дефектации ГСВ-95 - рабочие лопатки КНД после 128 часов наработки (результат эрозии и последовавшего помпажа)

Правильная оценка траектории движения частиц пыли в межлопаточном канале имеет существенное значение при изучении процесса эрозии. В силу большей плотности частиц пыли их траектории имеют меньшую кривизну, чем траектории частиц газа. В первом приближении можно учесть, что и в меридиальном сечении, и в рамках поверхностей тока (в рамках элементарных решеток, ступеней) радиальные и окружные ускорения вызываются как для газа, так и для частиц пыли практически одинаковыми градиентами статического давления (радиальным и поперечным, в искривленном межлопаточном канале). Соответственно, радиальные и окружные ускорения частиц пыли можно рассчитать через аналогичные ускорения частиц газа, используя соотношение их плотностей. Поэтому можно рассчитать окружные составляющие окружных скоростей частиц в относительном и абсолютном движении. Если считать, что осевые скорости газа и частиц пыли одинаковы, это позволяет в любой точке ПЧ определить вектор скорости частиц, выявить, под каким углом и с какой частотой и с каким импульсом они бомбардируют различные участки пера лопатки (преимущественно переднюю кромку и выходной участок корыта ), т.е. степень фреттинга. Эти же соображения позволяют выявить траектории частиц пыли в меридиональном сечении, т.е. вывить

перераспределение зоны запыления по высоте ПЧ.

Рассмотрим движение частиц в радиальном направлении. Центростремительное ускорение будет определяться выражением:

&сг =

&

(1)

Рис. 1. Генератор сжатого воздуха ГСВ-95, подвергшийся эрозии при спользовании при продувке газопровода в Калмыкии

где с - окружная скорость частицы пыли.

Примечание. В статье все параметры, обозначенные индексом ч относятся к частице пыли.

Центростремительное ускорение задает

Это привело сначала к плавному, а потом к

градиент давления

dP dcu

dr dt

Это выражение

справедливо для частиц с круговым движением. Однако у частиц пыли в двухфазном потоке движение не круговое, они уходят к периферии с ускорением

' Р j сич = d гч = d гч ca (2), так как dt = dS

dt1 dS2 a

1 -Р

Рч

=_____^ ^ - ^ ^ ^ = йБ

о о С а ^ =

г йг2 йБ2 а са

В выражении (2) считаем, что сач и Са.

Принимая радиальную скорость на входе в первое рабочее колесо сг0 и 0 , выразим

радиальную скорость частицы в любой точке 8

С„, = сг +

Jl^d^ c2ds=С,.+J

dS

1 -Р

Рч

dS

(3)

При движении частиц пыли в многоступенчатом осевом компрессоре необходимо рассматривать частицу пыли на входе в первое рабочее колесо, идущую по втулке, затем в последующих рабочих колесах и направляющих аппаратах по корыту. Данное представление можно описать с помощью следующего выражения

S s

r(S) = rem +Jcr.dS + J J|l-Pp

\ c2 — c]dS r

dS (4), так

как

'i-P

Рч

\ p

\ рч у

(l - ШРпСа )

dx dx ,л _ _ .

c =— c = u----------------c = u(1 - ten с )

u то а то a v or л a s

dS dS

подставляя эти выражения в (4) получим

то

Pj" (1 - ^PlCa)4 Рч

dS

г(Б )= Гвт +| Сг0йБ +1 I и 1 1 -

0

(5).

Из выражения (5) видно, что износ лопаток по мере удаления частиц от входа будет увеличиваться к периферии. Это произойдет в силу сепарирующего эффекта в компрессоре, при котором концентрация частиц будет постепенно увеличиваться к периферии пера лопатки. При этом износ первых лопаток и износ корневого сечения последних ступеней будет практически отсутствовать. Эти соображения подтверждаются реальными данными, полученными в процессе разборки установки ГСВ-95 [рис. 2], а также данными, приведенными в [1,4].

Газодинамические параметры 1-й ступени взяты из термогазодинамического расчета усановки:

с, = 98,77м / с, и = 347м / с, са = 190м / с,

= 248,19м / с, Д = 37,4°

Геометрические параметры компрессора взяты из чертежа данного двигателя (рис. 3).

Установка ГСВ-95, как было уже выше сказано, эксплуатировалась в районе полупустынь.

В таблице 1 приведены типичные средние значения для различных регионов [4]. Наибольшая

концентрация пыли наблюдается в районах пустынь и полупустынь и может достигать очень высоких уровней.

Рис. 3. Чертеж КНД и КВД ГСВ-95

Район Концентрация частиц Диапазон размера частиц

Жилые районы 0.01-0.1 мг/м3 0.01- 5 мкм

Пригородные районы 0.01-0.2 мг/м3 0.01- 10 мкм

Районы легкой промышленности 0.05 - 0.3 мг/м3 0.01- 5 мкм

Районы тяжелой промышленности 0.1 - 1 мг/м3 0.01- 30 мкм

Прибрежные районы 0.01 - 0.5 мг/м3 0.01- 10 мкм

Районы пустынь и полупустынь 500 мг/м3 0.1- 100 мкм

Арктические районы 0.01-0.5 мг/м3 0.01- 5 мкм

Тропические зоны 0.01-0.5 мг/м3 0.01- 10 мкм

Распределение частиц по размерам и концентрации частиц являются наиболее важными параметрами, характеризующими загрязнение воздуха.

Чтобы определить концентрацию пыли, измеряется содержание пыли в кубическом метре воздуха. Концентрация пыли существенным образом зависит от географических и временных факторов.

Плотность частиц пыли определяется также ветром (входящими потоками), при котором держится пыль

nd2

nd

сЛ +1 (6)

^ср^- = (р -р)^8г8 , т°гда Р =^ +1

Принимая сх = 500мг / м3 (таблица)

8 Р dg

концентрацию частиц

диаметр частиц йч = 0,1мкм (таблица) и скорость ветра Уу = 0,5

м/с, рассчитаем отношение Рч-:

Р

2

с

2

c

r

и

0,5 • 0,25

= 128,421 при известном значение с„ в выражение с = с (1 -J—\, получим

u ич и V '

Рч

р dg 0,0001 • 9,81

Подставляя значение рРЧ-

Р

значение с..

Р

сич = си (1 - ^-) = 98,77 • (1 - 0,0078) = 98м / с

Рч

По уравнению (6) можно судить о том, что чем больше концентрация пыли на входе, тем больше скорость частиц, с которой они ударяются о поверхность лопатки. Из [1] следует, что скорость эрозии пропорциональна скорости частиц. Значит чем больше концентрация пыли, тем быстрее изнашивается лопатка.

Используя известные данные ГСВ-95, была построена (расчетным путем) нижняя граница пылевой зоны по высоте ПЧ (проточной части). Видно, что по мере удаления частиц от входа (рис. 4) нижняя граница зоны запыленности удаляется от втулки. Внутри этой зоны концентрация частиц неравномерна - она нарастает от нижней границы к периферии.

Рис. 4. Определение границы запыленной зоны в компрессоре ГСВ- 95 в проточной части

Например, относительная окружная скорость частиц определится как

™ич = ™и + си (1 -Р) = ™и + сич (7)

Рч

и = и + с (1 -—) = 248,19 + 98,77(1 - 0,0078) = Рч

= 346,2м / с

Угол, с которой частицы пыли ударяются о поверхность лопатки, можно определить из выражения :

сШРч ■ с а = (1 - —) + (1 - —) • • са , тогда

Рч

Рч

ctgP4 = ((1 - Р) + (1 - Р) • ctgP • са) / са =

Рч Рч

(0,9922 + 0,9922 • ctg37,4 • 0,548) / 0,548 = 0,9922 Рч = 30,60.

Относительная скорость частиц при ударе

са 190 ___ .

wч =-------=---------= 373м / с

sin вч sin 30,6

Величина нормали к скорости wч

wn = w4 • sin(e -вч) = 373 • sin(37,4 - 30,6) =

= 44,16 м / с

Рассчитанные выше скорости относятся к корытцу лопатки, скорости и траектории частиц по корыту, спинке и средней линии («ядра») различны.

Величина wn дает распределение феттинга (уноса

материала), при этом она пропорциональна

значению w2u . Унос материла по спинке будет

стремиться к нулю, а в средней части корыта-минимальный.

:г

Рис. 5. Схема треугольников скоростей движения частицы пыли и воздуха в межлопаточном канале

Частицы с одной скоростью ударяются о поверхность лопатки и с другой уже скоростью отскакивают. Сведения, приведенные в различных источниках, показывают, что при ударе всегда теряется одна и та же величина скорости, равная примерно 0,81-0,85.

То есть, скорость частицы после удара о

лопатку в относительном движении можно определить как

ич2 = (0,81 ^ 0,85) • ич = (0,81 ^ 0,85) • 373 = (302,13 ^ 317,05) м / с

Ниже приведена схема построения траектории частиц в межлопаточном канале осевой ступени компрессора (рис. 5 и рис. 6).

У лопаток рабочего колеса величина лопаток больше, чем у лопаток направляющего аппарата. Такое явление может быть объяснено тем, что скорость частиц при ударе о рабочую лопатку значительно больше, чем скорость удара о направляющий аппарат.

Зная

определить отношение

распределение

Сх" ,

СБ ’

дальнейшем позволит определить

с (с ) можно

а \ а /

которое в

Сх,

сСБ

по

формуле: Сх«ч СБ

= И(1 — Р) + Р ^с (8)

Р/ Рч СБ а

Рис. 6. Схема для построения траектории частиц

Поделив выше приведенное уравнение на окружную скорость и, получим

^с = (1 -—) + — (9)

йБ а —ч рч йБ а

Вдоль любой траектории р

йЬ = — йх = Рти • йх, где Рти - ударная сила в т

окружном направлении, т- масса частицы газа.

йЬ ^ йХ . ^ йЬ/йБ 2_

— = р ------. р =—---------= и с

йБ ти йБ ти сХ/йБ а

(С2 Х/с1Б2). (сХ/СБ) ’

Рти (Б )

— 1. Если есть

СБ

желаемое значение Рти (Б) , то решение дает

требуемое е- закон профилирования, где Хж - это

координата профиля в РК.

На величину износа влияют различные факторы (размеры частиц, скорости, материал, продолжительность работы и т.д.). Величина наработки влияет так же на траектории движения частиц, это связано с тем, что по мере эксплуатации величина эрозии увеличивается, меняются геометрические параметры решеток.

Изменение абсолютной окружной скорости можно определить как Сс,„

______ = р = __* с2 Ск

Сі рч Сі рч “ СБ

с = с +

и ч и ч | і=0

Р

Сси

0

Б 7 2

2 р гС х

С- + (_са) * 0

Рч Сі "СБ

-■ Сі =

тогда

но

с = с

и и | о

+(-с а

с = с I + —• л = с I + — I^• ¿Б.

0 Р,1 йг ’ Р.1 ^

Приведенные выше соображения также подтверждаются и методом трехмерного СЛО/САБ-моделирования. Расчет выполнен в программном комплексе А№У8 (рис. 7-9)

тогда

а) б)

Рис. 7. Траектория движения частиц (размер частиц 30 мк) в межлопаточном канале: а)- в

статоре, б)- в роторе

Рис. 8. Траектория движения частиц в

межлопаточном канале ротора при различных размерах частиц: а)- 30мк, б)- 100мк

Рис. 9. Распределение величины эрозии пера рабочей лопатки по результатам 3Б САБ/САЕ-моделирования

Сопоставление полученных результатов (рис.9) с результатами дефектации ГСВ-95 и обмера подвергшихся эрозии лопаток после работы в условиях существенной запыленности (рис.2)

2 — и с

показало их хорошую сходимость.

ВЫВОД

Изложенные в статье материалы о траекториях частиц пыли в межлопаточном канале осевого компрессора позволяют анализировать и на этапе проектирования прогнозировать картину износа лопаток любой формы и определять наиболее подверженные эрозии участки

конкретных профилей и пера лопаток. При этом рабочие и направляющие лопатки первых ступеней подвергаются эрозии по всей высоте (в большей степени со стороны корыта, вблизи передней и задней кромок), тогда как рабочие лопатки последних ступеней имеются ярко выраженное нарастание эрозии по мере приближения к концевому сечению (к периферии), что обусловлено центрифугированием пыли в ступенях. В связи с этим увеличивается концентрация пыли на периферии и лопатки последних ступеней, являющиеся наиболее

тонкими становятся наиболее изнашиваемым элементом двигателя.

Обмеры лопаток после эрозии в лаборатории ООО НВП «ОПТЭЛ» УГАТУ показывают, что картина износа подтверждает приведенные выше соображения о траектории движения частиц.

Выявленные закономерности движения частиц пыли в проточной части компрессоров ГТД, особенности эрозии, изменения геометрии лопаток и изменения параметров и характеристик двигателей позволяют учесть условия эксплуатации при проектировании двигателя, разработать меры по защите лопаток от эрозии и средства параметрической диагностики ГТД.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ

Литература

1. Шальман Ю.И. Износ и изменение параметров осевой и центробежной ступеней при работе на запыленном воздухе. // Вертолетные газотурбинные двигатели: сборник статей. М.: Машиностроение, 1966.

2. Ф.П. Ходеев, Г.П. Щеголев, Е.Н. Бут, В.Г. Палиенко. Изменение геометрических параметров профилей лопаток компрессора осевых компрессоров турбовальных ГТД в процессе эксплуатации. // Авиационная промышленность № 3-4, 1995. С. 38-41

3. Струговец С.А., Кривошеев И.А., Галиуллин Р.М., Камаева Р.Ф. Использование закономерностей протекания характеристик компрессора при параметрической диагностике технического состояния ГТД // Молодой ученый. -Т 1. -№ 1-2 (13). - С. 59-66. ISSN 2.72-0297

4. Hamed, A., and Tabakoff, W., 1994, “Experimental and Numerical Simulation of Ingested Particles in Gas Turbine Engines,” AGARD (NATO) 83rd Symposium of Propulsion and Energetics Panel on Turbines, Rotterdam, The Netherlands, April 25-28.

5. Tabakoff, W., 1995, “High-Temperature Erosion Resistance Coatings for Use in Turbomachinery,” Wear 186-187, pp. 224-229.

6. Tabakoff, W., Hamed, A., and Wenglarz, R., 1988, “Particulate Flows, Tuibomachinery Erosion and Performance Deterioration,” Von Karman Lecture Series 1988-1989, May 24-27, Brussels, Belgium.

7. Кащеев В.Н. Разрушение поверхности металла в зависимости от удара абразивной частицы. ЖТФ, 1995. Т. XXV. Вып. 13.

8. Билик Ш.М. Абразивно-жидкостная обработка. Машгиз, 196°.

9. Терещенко В.Г. Определение параметров соударения абразивных частиц с поверхностями лопаток вентиляторов. // Сборник научных трудов СевКавГТУ. Серия «Естественнонаучная», 2°°5. №1.

Уфимский государственный авиационный технический университет ФГУП «Уфимское агрегатное предприятие «Гидравлика»

ANALYSIS OF INFLUENCE OF DUST PARTICLES ON THE PARAMETERS OF STEPS AXIAL COMPRESSOR I.A. Krivosheev, S.A. Strugovets, R.F. Kamaeva

Considered the laws of motion of dust particles in the flow of gas turbine compressor, especially erosion, changes in the geometry of blades and change the parameters and performances of engines. This allows us to take into account the conditions of operation during designing the engine, to develop measures for protecting the blades from erosion and the means of gas turbine parametric diagnostics

Key words: erosion, axial compressor, parametric diagnostics