CC BY
17
УДК 621.438-762
Ю.А. Зеленый, О.А.Петрова
ГП «Ивченко - Прогресс », Украина
ДАЛЬНЕЙШАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ПРОФИЛЯ ПЕРА ЛОПАТОК СОПЛОВОГО АППАРАТА ТСД
Рассмотрены результаты анализа экспериментальных данных по температурному состоянию профиля лопаток соплового аппарата ТСД с исходной и модернизированными системами охлаждения. Основываясь на этих результатах, выполнив соответствующие расчетные оценки системы охлаждения, была предложена и протермометрирована на двухкаскадном газогенераторе лопатка СА ТСД с более рациональной системой охлаждения профиля пера. Модернизированная система охлаждения привела к улучшению температурного состояния профиля пера лопатки, ее работоспособности и ресурса при неизменном расходе охлаждающего воздуха.
Лопатки соплового аппарата, продувка, температурное состояние, повреждения , работоспособность, модернизация, датчик ИМТБ, эффективность охлаждения.
Введение
В процессе проектирования авиационных двигателей конструкторами прилагаются значительные усилия по учету всех факторов, которые могут в той или иной степени влиять на параметры и работоспособность деталей и узлов двигателя в процессе эксплуатации.
Однако наиболее весомым критерием достоверности принятых решений является анализ результатов испытаний двигателя по их проверке.
Такой анализ позволяет получать реальные результаты, по которым возможно производить усовершенствование деталей и узлов, с целью улучшения основных показателей двигателя.
1. Бонцепция исследований
В процессе длительной летной эксплуатации на двигателях эпизодически начали проявляться дефекты по корыту профиля пера на отдельных лопатках соплового аппарата ТСД, которые выражались в трещинах и разгарах.
Внешний вид лопатки с повреждениями профиля пера по корыту представлен на рисунке 1.
С целью выяснения причин такого дефекта было выполнено термометрирование лопаток СА ТСД датчиками ИМТК и многопереходными термокрасками. На первом этапе термометрировались лопатки с исходной системами охлаждения.
В результате термометрирования была выявлена высокая температура пера лопатки с исходной системой охлаждения на корыте в районе проявляющихся дефектов.
Рис. 1. Внешний вид поврежденной лопатки
Были разработаны и проверены термометри-рованием на двухкаскадном газогенераторе лопатки с модернизированными (модернизация 1 и модернизация 2) системами охлаждения профиля пера [1]. Обе модернизации дали положительный результат и привели в разной степени к снижению температур в месте дефекта.
Основываясь на результатах термометрирова-ния лопаток с исходной и модернизированными системами охлаждения, выполнив соответствующие расчетные оценки системы охлаждения, была предложена и протермометрирована на двухкас-кадном газогенераторе лопатка СА ТСД с более усовершенствованной системой охлаждения (модернизация 3).
Основной критерий модернизации — улучшение температурного состояния профиля пера
© Ю.А. Зеленый, О.А.Петрова, 2008
без дополнительного отбора охлаждающего воздуха.
Расход воздуха контролировался путем выполнения «холодных» продувок системы охлаждения окончательно изготовленных лопаток на специальной установке.
Схема исходной системы охлаждения профиля пера лопаток СА ТСД представлена на рисунке 2.
М&ота^ Э
Рис. 2. Конструкция исходной системы охлаждения профиля пера лопаток СА ТСД.
Модернизация системы охлаждения заключалась в более рациональном перераспределении расходов охлаждающего воздуха в полостях лопатки за счет подводящих отверстий в заднем и переднем дефлекторах (снижение расхода воздуха там, где температура профиля ниже и дополнительный подвод воздуха туда, где температура профиля выше), не увеличивая при этом суммарный расход охлаждающего воздуха.
2. Содержание и результаты исследований
Термометрирования лопаток СА ТСД с исходной и модернизированными системами охлаждения проводились датчиками ИМТК и многопереходными термокрасками на двухкаскадном газогенераторе. Исследованию подвергались две лопатки из всего комплекта, устанавливаемого на газогенератор. При всех испытаниях, препарированные лопатки устанавливались строго каждая на свое место в окружном направлении.
Испытания на разных этапах термометриро-вания проводились с различными жаровыми трубами камеры сгорания, имеющими различие в индивидуальных номерах и с различными комплектами топливных форсунок, имеющих свои индивидуальные особенности по расходным характеристикам.
Это оказывает влияние на формирование окружной и радиальной эпюры температурного поля газа на выходе из камеры сгорания, что в свою очередь сказывается и на температурном состоянии лопаток при каждой сборке, усложняя процесс приведения результатов термометриро-
вания к одинаковым условиям для сравнения и анализа.
В связи с этим, на каждой исследуемой лопатке СА ТСД устанавливались датчики ИМТК для замера местной температуры газа на входе в лопатку в районе входной кромки и температуры воздуха на входе в систему охлаждения лопатки.
Такой подход позволяет производить сравнительную оценку вариантов систем охлаждения по безразмерной эффективности охлаждения (0л).
Расчет эффективности системы охлаждения (0л) проводился по методике ЦИАМ при условии
ел= (Т*г -Тл )/ (Т*г -Т* в) = сош!,
где:
— Т г — местная температуре газа;
— Тл — измеренная местная температура пера
лопатки; *
— Т в — температура охлаждающего воздуха. Схема расположения точек измерения температур на профиле пера лопатки представлена на рисунке 3.
Рис. 3. Схема расположения точек измерения температур на профиле пера лопатки СА ТСД.
По результатам термометрирования выполнялись расчеты эффективности систем охлаждения лопаток СА ТСД исходного и модернизированных вариантов охлаждения.
На рисунках 4,5 представлены минимальные и максимальные 0л в точках сечения по высоте профиля, по результатам термотрирования проведенного ранее [1].
0,
г^Ш
ч к*. У
_
Y| j-
К 1,1 1JE 1J 1Л 1.1 1Л г и 1 • , 1.12 глй
0 D 1 Ü 2 D,:3 D > Ц£ 0.2 Q.T J.* а.Э 1 Гг
—Э- исходная систома min — tY- исхсщнл сиетамз - masr —ш— модернизация 1 - min —■— 1 - гпю*
Рис. 4. Эффективность системы охлаждения модернизации 1 по отношению к исходной (лоп. А)
V / к /
Ote rt - -*г~' 1
V/ Г -vj
■Л >1 гJ Ü а т.? Ч.И -.4 41 1.14 i.t5
О 0.1 и РЗ Ой Сй ДО ОТ Ой 03 1
_а,_ к"1 д^р.г-м^игп 7: ■ 1Г1П —ш—мкцапцня 1 - тм
—■ - иодеошлцяаЗ - П11П —Л - модертэйцмя 3 - ИНН
Рис. 6. Эффективность системы охлаждения модернизации 3 по отношению к модернизации 2 (лоп. Б)
*Г~Л
Ч 7
Й?1 ■■ р J1
t
■С ч г,г irJ М 1Г. 1-Ь 1 ■Л 1 1 1,' ] т. л иг 40 .14 |.й
j A-
_ *
^ - у
t L, f)
'fl тЧ т г vi l.s i-". rJ r.i ll T.l ■Л0 Li r.li bis i.ll T.H
О 02 0.3 <М Di GS 07 OS ff.J t Ь
-&- 4t«™nja - min — ь- исходная сисгвио - max
-m ■ S - min * МОДеАНЫЗВЦКП Z - ГПЙХ
Рис. 5. Эффективность системы охлаждения модернизации 2 по отношению к исходной (лоп. Б)
Из полученных результатов следует, что изменение системы охлаждения в соответствии с модернизацией 1 привело к снижению температуры корыта (в районе проявления дефекта) и спинки за входной кромкой до средины хорды профиля, далее температура спинки немного повысилась. Температура входной кромки практически не изменилась, температура выходной кромки со стороны корыта незначительно выросла, со стороны спинки снизилась.
Изменение эффективности охлаждения @л на величину 0,1 приводит к изменению температуры профиля на 90...100 °С. В целом модернизация 1 дает положительный результат по снижению температуры профиля в горячих местах, с незначительным повышением в холодных.
Модернизация 2 дает более весомый положительный результат в требуемых местах и приводит к более равномерному температурному полю профиля, с такими же особенностями по входной и выходной кромкам.
На рисунках 6,7 представлены минимальные и максимальные 0л в каждой точке сечения по высоте профиля, для системы охлаждения модернизации 3.
0,1 02 L.3 м ОС LI .5 Ü.7 an OL
мэдерннаацт 1 - лчп —м^рничц^я 1. пак
— I - Ммй.Прк^-Л I |.)Г 3 - ПП ■ • МйАЕ^НЭВЦНП - rtlHf
Рис. 7. Эффективность системы охлаждения модернизации 3 по отношению к модернизации 1 (лоп. А)
Анализируя результаты, приведенные на рисунках 6, 7, можно отметить, что охлаждение пера лопатки, в соответствии с модернизацией 3, привело к еще более благоприятному температурному состоянию профиля, большему снижению температуры его «горячих» участков и незначительному повышению «холодных», не выходя при этом, за пределы применимости по температуре материала, из которого изготовлены лопатки.
Исходя из анализа вышеизложенных результатов, рекомендовано для внедрения в конструкцию двигателя систему охлаждения профиля пера лопатки СА ТСД в соответствии с модернизацией 3.
3. Заключение
Анализ результатов расчетно-эксперименталь-ных исследований показывает, что наибольший эффект по улучшению температурного состояния профиля пера получен на лопатках с системой охлаждения модернизации 3. Выполненные работы позволили экспериментально проверить, подтвердить, выбрать и принять к внедрению лопатку СА ТСД с наиболее эффективной системой охлаждения, позволяющей улучшить ее работоспособность и ресурс, не изменяя отбор охлаждающего воздуха.
Литература
1. Зеленый Ю.А., Петрова O.A. Оптимизация и поиск рациональной системы охлаждения лопаток соплового аппарата ТСД.//Авиационно-космическая техника и технология, —2006. — №8(34) - C. 121-123.
Поступила в редакцию 14.05.08
Рецензент: профессор Национального аэрокосмического университета им. Н.Е. Жуковского «ХАИ», д.т.н. ОлейникА.В.
Розглянуто резулътати анал1зу експериментальних даних по температурному стану профлю лопаток соплового апарата ТСТз вихгдною i модершзованою системами охолод-ження. Трунтуючисъ на цих результатах, виконавши вiдповiднi розрахунковi оцтки систе-ми охолодження, було запропоновано i протермометровано на двокаскадному газогенера-торi лопатку СА ТСТз быъш ращоналъною системою охолодження профлю пера. Модер-тзована система охолодження привела до полтшення температурного стану профыю пера лопатки, и працездатностi i ресурсу при незмтнш витратi охолоджувалъного по-втря.
The results of an analysis of experimental data on temperature condition of IPTNGVs airfoil portions with original and updated cooling systems are examined. On the basis of these results a relevant computation of the cooling systems was carried out. And a new IPT nozzle guide vane with a more rational cooling system of its airfoil portion was proposed. With thermometry performed. The updated cooling system resulted in improvement of the nozzle guide vane airfoil portion temperature condition, and its serviceability and service life, the cooling airflow remaining unchangeable.
