CC BY
348
АВИАЦИОННАЯ И РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА
УДК 621.452.3
Г. Г. Еникеев
комплексная защита газотурбиного двигателя, эксплуатирующегося в запыленной атмосфере и морской среде
Запыленная атмосфера негативно воздействует на многие узлы газотурбинного двигателя (ГТД). Больше всех страдает компрессор, лопатки которого подвержены эрозионному износу. При определенных условиях возможны отложения пыли на лопатках компрессора, которые ведут также к ухудшению характеристик. В подшипниковые узлы, маслосистему и агрегаты двигателя может попадать пыль с воздухом для наддува лабиринтных уплотнений. Охлаждающий воздух тоже может содержать частицы пыли, которые осаждаются в охлаждающих каналах и могут закупорить их, что может привести к перегреву лопаток и диска турбины. Исследование и предотвращение уязвимостей узлов ГТД от воздействия пыли является важной и актуальной проблемой, решение которой позволит увеличить их ресурс. В статье показаны наиболее уязвимые узлы ГТД и предложен комплексный подход к их выявлению и предотвращению при эксплуатации в запыленной атмосфере. Газотурбинный двигатель; уязвимость узлов двигателя; комплексный подход к защите
Защита проточной части от воздействия загрязненной среды превратилась из косвенной проблемы в одну из важнейших при создании новых или конвертировании существующих ГТД, для условий эксплуатации в загрязненной атмосфере или морской среде. Анализ исследований и практических работ в области технологий проектирования газотурбинных двигателей показал, что разработчики вынуждены учитывать специфические условия работы и принимать ряд конструктивных и технологических мер для обеспечения работоспособности и увеличения срока службы ГТД [1]. В ЦКБ по СПК им. Р. Е. Алексеева, НТК им. Н. Д. Кузнецова, ОАО КПП «Авиамотор» [2, 3] при конвертировании авиационных ГТД НК-12, НК-86 для экранопланов «Орленок» и «Лунь» был внесен ряд конструктивных изменений для обеспечения работоспособности в морских условиях. Была выполнена замена магниевых сплавов на алюминиевые, стойкие против коррозии, были разработаны и использованы антикоррозионные покрытия лопаток турбины и компрессора. Была разработана и установлена на двигателях система промывки проточной части, что позволило восстанавливать исходные характеристики компрессора при засолении. Были разработаны с участием УАИ и испытаны роторные воздухоочистители, что позволило снизить темп засоления компрессора и увеличить время работы двигателей между промывками. При выполнении указанных работ ставилась задача учета негативных факторов воздействия морской среды на характеристики ГТД при конвертировании.
Контактная информация: 8-917-341-46-63
В ЦИАМ им. П. И. Баранова, ЛНПО им. Климова, ВИАМ проделана большая работа по исследованию влияния пыли на характеристики МГТД и разработке средств защиты [4]. При создании газотурбинного двигателя для вертолета приходится учитывать что воздух как рабочее тело может содержать определенную массовую долю рассредоточенной твердой фазы в виде пыли различного фракционного и химического состава, определенную массовую долю сосредоточенной и рассредоточенной воды, в том числе морской, определенную массовую долю сосредоточенной твердой фазы в виде мелких камней, кусочков льда, птиц.
Учитывать эти обстоятельства важно для малоразмерных газотурбинных двигателей, так как МГТД используются на летательных аппаратах, которые в основном имеют типовой полетный цикл малой длительности, то есть относительно большое время работы осуществляется вблизи земли.
Результатом работ явилось выполнение ряда конструкторских мероприятий на стадии проектирования: создание воздухоочистите-
лей, препятствующих попаданию частиц на вход в двигатель; обеспечение характеристик компрессора с повышенными запасами газодинамической устойчивости; выполнение первой ступени компрессора с широкохордными рабочими лопатками; применение эрозионностойких покрытий на лопатках компрессора; очистка воздуха, направляемого в систему охлаждения для предотвращения перекрытия охлаждающих каналов пылью.
Отложения мелкой пали и промышленных выбросов на лопатках компрессора и _________турбипы________
Рис.1. Уязвимость отдельных узлов и систем ГТД
Сформировался новый подход к проблеме обеспечения работоспособности ГТД в запыленной атмосфере и морской среде, который заключается в учете уязвимостей при проектировании следующего поколения двигателей и модернизации существующих (рис.1). Рассматривая узлы и системы ГТД в отдельности, важно дать прогноз изменения их характеристик при попадании твердых частиц и капель в проточную часть и принять меры на стадии проектирования для уменьшения негативных последствий. Для этого необходимо совершенствовать методы защиты проточной части двигателя.
1. МЕТОД КОМБИНИРОВАННОЙ ЗАЩИТЫ ГТД ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ДИСПЕРСНЫХ
частиц
Метод комбинированной защиты заключается в использовании нескольких конструктивных и технологических решений для снижения уязвимости ГТД при эксплуатации в запыленной атмосфере или морской среде. Такими конструктивными и технологическими решениями являются:
• установка воздухоочистительного устройства на входе или непосредственно в проточной части ГТД;
• нанесение покрытий стойких к эрозии и коррозии на рабочие и направляющие лопатки компрессора и турбины;
• установка воздухоочистителя тонкой очистки на линии подачи воздуха в охлаждаемые ло-
Отложения мелкой пыли
в каналах охлаждения
лопаток туроины
патки турбины и подшипниковые опоры;
• установка на двигатель датчиков изменения параметров двигателя в результате воздействия запыленной атмосферы и морской среды;
• установка на двигатель системы промывки проточной части.
Критерием оценки комбинированной защиты ГТД может служить время достижения предельного состояния двигателя, когда его эксплуатация невозможна. Например:
• ограничение предельной температуры газов перед турбиной;
• износ лопаток первой ступени компрессора;
• достижение критического значения газодинамической устойчивости компрессора;
• достижение предельной концентрации твердых частиц в масле и др.
На стадии проектирования двигателя или во время эксплуатации необходимо иметь методику оценки эффективности того или иного варианта комплексной защиты ГТД.
В настоящей работе приведена методика оценки эффективности комплексной защиты по двум конструктивным и технологическим мероприятиям:
• установка на входе воздухоочистителя;
• нанесение на поверхность лопаток нано-структурированного многослойного покрытия с предварительной их обработкой электроплаз-менной полировкой и ионной имплантацией ионами азота.
В основу методики были положены подходы, изложенные в работе [7].
В методике критерием достижения критического состояния двигателя принят полный эрозионный износ покрытия лопаток первой ступени компрессора, из-за которого происходит съем двигателя с эксплуатации. Методика разработана для МГТД вертолетов.
1.1. Распределения дисперсного потока в проточной части ГТД
Многочисленные исследования движения дисперсного потока в проточной части ГТД и механизма эрозионного износа лопаток компрессора показали наличие неравномерности распределения частиц в радиальном направлении по высоте лопаток [5, 6, 8, 9].
Картина распределения концентрации дисперсных частиц по радиусу в проточной части
многоступенчатого компрессора показана на рис. 2 [5]. В результате взаимодействия частиц с поверхностью рабочих и направляющих лопаток компрессора по мере продвижения потока по тракту компрессора частицы сосредотачиваются на периферии.
после чего проводилось взвешивание и визуальный осмотр лопатки.
ВНА 1ст
Щст
Мл
VI] ь
Рис. 2. Радиальная неравномерность твердой дисперсной фазы в многоступенчатом осевом компрессоре ГТД [5]
На первой ступени компрессора показано равномерное распределение концентрации частиц по высоте. Такое распределение наблюдается при наличии на входе прямого канала и отсутствии воздухоочистителя. Равномерное распределение можно принять в некоторых расчетных моделях для упрощения решения задачи.
Установка некоторых типов воздухоочистителей, например роторного, и организация криволинейных пространственных каналов перед компрессором двигателя, как показали расчеты и эксперимент [1], вызывает неравномерное распределение концентрации частиц по радиусу и на первой ступени компрессора.
Необходимо отметить, что наряду с перераспределением концентрации по радиусу, в силу особенностей движения частиц разных размеров, меняется по радиусу и функция распределения частиц по размерам.
На эрозионном стенде НИЛ СХ ГТД, УГАТУ были проведены испытания нескольких рабочих лопаток 3-й ступени осевого компрессора вертолетного двигателя ВК 2500. Испытания проводились в два этапа. На первом этапе испытывалась лопатка из титанового сплава ВТ- 8 без противоэрозийного покрытия.
Целью испытаний было визуальное изучение процесса эрозии и количественная оценка изменения веса лопатки. Испытания проводились при следующих условиях: скорость частиц составляла около 100 м/с; в качестве абразива использовался песок ГМ; средний угол атаки частиц 15о. Песок подавался циклами по 0,7 и 1 кг,
Рис. 3. Эрозионный износ рабочей лопатки
компрессора 3 ступени без противоэрозионного покрытия
На рис. 3 показаны результаты испытаний. Наблюдался сильный эрозионный износ корытца, передней и задней кромок лопатки. На спинке лопатки был заметен незначительный износ в районе передней кромки. На фотографии хорошо видно, что износ произошел неравномерно, что объясняется разницей концентрации частиц по высоте. Сильно изменилась шероховатость поверхности лопатки в зоне эрозионного износа и стала существенно больше исходной. Существует переходная зона с меньшей шероховатостью между областью сильного износа и неизношенной поверхностью лопатки.
1.2. Сравнительные эрозионные испытания рабочих лопаток 3-й ступени компрессора МГТД ВК 2500К
На эрозионном стенде были поведены сравнительные испытания на эрозионную стойкость рабочих лопаток 3-й ступени осевого компрессора вертолетного двигателя ВК 2500.
Целью проведения испытаний было исследование эрозионного износа лопаток с противоэ-розионными покрытиями, выполненным по технологиям, которые отрабатывались на образцах размером 15Ч20 мм. В реальных условиях удар частиц о лопатку происходит с разными углами по длине хорды и по высоте, в силу особенностей геометрии пера лопатки и траекторий частиц разных размеров.
После каждого цикла испытаний лопатки фотографировались с целью визуального наблюдения
за износом поверхности и взвешивались на весах с целью определения их веса.
Исходное состояние лопаток до абразивного воздействия частиц изображено на рис. 4.
воздействия и суммарного количества абразива, поданного в бункер установки.
а б
Рис. 4. Исходное состояние поверхности лопаток: а - корытце лопатки; б - спинка лопатки; слева -лопатка с покрытием; справа - без покрытия
На поверхность лопатки (на фотографии лопатка изображена слева) было нанесено нано-структурированное многослойные вакуумное ионно-плазменное покрытие на основе нитридов ванадия и титана, разработанное кафедрой технологии машиностроения УГАТУ.
а б
Рис. 5. Состояние поверхности корытца лопаток после подачи в бункер установки электрокорунда белого F280 в количестве 3,5 кг: а - корытце лопатки; б - спинка лопатки; слева - лопатка с покрытием; справа - без покрытия
На рис. 5 приведены фотографии изменения поверхности лопатки в результате эрозионного износа. Износу подвержена поверхность корыта. Спинка лопатки не изношена. Износ поверхности лопатки с покрытием произошел менее интенсивно, чем поверхность лопатки без покрытия.
Фрагмент торцевой части лопаток показан на рис. 6. На фотографии видно, что в зоне с повышенной концентрацией частиц покрытие почти полностью разрушено. В переходной зоне покрытие только начало разрушаться.
В процессе испытаний с точностью до шестого знака производилось взвешивание лопаток, что позволило построить количественные зависимости износа от времени абразивного
л
б
Рис. 6. Фрагмент корытца лопаток после подачи в бункер установки электрокорунда белого F280 в количестве 4.2 кг: а - лопатка с покрытием; б - лопатка без покрытия
Графики зависимости уноса материала лопаток от массы электрокорунда белого, поданного в бункер баллистической установки и времени воздействия приведены на рис. 7-8.
Сравнительные испытания рабочих лопаток 3 ступени компрессора из сплава ВТ*в
Ма<са гезланюга й 6у«ар *5раа*йа, а
[-♦-■•втач* 5езг£>гууя -а-ламгчаеЛинайя^н ¡г узча га; га^ьт|И:'—Гсг;*<"д-а.',51-ьл'.ггпа,чае яа>рьтшм|
Рис. 7. Графики зависимости уноса массы с поверхности лопаток от массы поданного в бункер установки абразива
Эрозия рабочей лопатки компрессора без покрытия происходит более интенсивно, чем с покрытием. Многослойное противоэрозионое покрытие существенно снижает эрозию поверхности лопатки. Характер изменения уноса массы
а
от времени воздействия или массы абразива в исследованном диапазоне изменения параметров нелинейный на начальном участке графика, что объясняется постепенным износом многослойного покрытия. По мере износа покрытия слабая нелинейность изменения уноса массы от времени воздействия и количества абразива переходит в линейную зависимость.
Сравнительны* испытания рабочих лопаток 3 ступени «мгрессора из сплава ВТ-в МГТД ВК 2500
Рис. 8. Графики зависимости уноса массы с поверхности лопаток от времени воздействия абразива
Относительный износ лопатки характеризуется коэффициентом относительной эрозионной стойкости X , который вычисляется по формуле
„ Ада,,
^ , (1) Ати
где АтЭ - унос вещества с поверхности эталонного образца без покрытия; Ати - унос массы вещества с поверхности образца с покрытием.
Зависимость относительной эрозионной стойкости от времени наработки или от количества поданного абразива показана на графике рис. 9.
1.3. Оценка эффективности комплексной защиты газотурбинного двигателя с помощью воздухоочистителя и нанесения эрозионностойких покрытий на лопатки компрессора
Одной из задач при разработке комплексных средств защиты от пылевой эрозии является оценка эффективности выполненных мероприятий, и вклад каждого из них в продление времени достижения предельного состояния ГТД.
В настоящей работе при разработке методики расчета вклада каждого из мероприятий по защите ГТД от пылевой эрозии использовались подходы, изложенные в работе [7]. При разра-
ботке новых типов воздухоочистителей и эрозионностойких покрытий необходимо не только сравнивать их между собой, но и проводить оценку их эффективности при совместном их использовании. Ниже рассмотрены основные положения методики применительно к компрессору двигателя ВК 2500К, аналогу двигателя ТВЗ-117. При этом в качестве допущения принято, что время наработки компрессора до снятия с эксплуатации определяется по износу лопаток рабочего колеса первой ступени.
Зависимость, относительного коэффициента износостойкое бункер установки
г-<еаавн^<«-*с*^сит*іи-е«и»-свсс*а><ест» Сиг»
Рис. 9. График зависимости относительного коэффициента износостойкости от массы пыли, поданной в бункер установки
В методике используются характеристики воздухоочистителя и защитного покрытия. Характеристика воздухоочистителя - зависимость степени очистки у от размера частиц песка при заданной скорости в воздухозаборнике. Характеристика защитного покрытия - зависимость массы пыли, необходимой для полного износа покрытия Атя , от размера частиц при заданных параметрах пылевого потока и частоты вращения ротора компрессора. В качестве параметра, характеризующего эффективность рассматриваемой системы защиты, используется относительное время наработки:
во+п
во+п
* о
(2)
где хо+п - время наработки компрессора до снятия с эксплуатации при использовании воздухоочистителя и эрозионностойкого покрытия; т0 - аналогичный параметр для компрессора без защитных мероприятий. В качестве критерия предельного состояния компрессора принято предельное изменение массы лопаток в результате эрозионного износа рабочего колеса первой ступени компрессора АтА .
Для определения относительного времени наработки тво+п рассмотрим зависимость потери массы лопаток рабочего колеса первой ступени компрессора в результате износа АтА от массы поступившей во входное устройство пыли тп (рис. 10) Как показали исследования (рис. 8), для лопаток без защитных мероприятий эта зависимость практически линейная. Установка воздухоочистителя приводит к уменьшению расхода и изменению дисперсного состава поступающей в двигатель пыли, что обусловливает изменение наклона зависимости АтА = А,т) Использование эрозионностойкого покрытия сдвигает рассматриваемую зависимость вправо на величину Ат , характерную для полного износа покрытия.
Рис. 10. Схема расчета эффективности комплексной защиты ГТД
Допуская неизменным уменьшение массы лопаток рабочего колеса первой ступени, при котором производится снятие двигателя с эксплуатации при постоянной подаче пыли на вход - АтА0 , получаем, что за счет постановки воздухоочистителя масса пыли, вызывающей износ Атп0 , возрастает с Атп0 до Ат “ , а при использовании воздухоочистителя и эрозионностойкого покрытия - до Атп0во + Атп0 . Исходя из пропорциональности массы поступающей во входное устройство пыли и времени наработки двигателя, величину тво+п можно записать в виде
,«>+« - +Ат т" Ат.
т.
т.
т,.
т
-=-. (3)
т
гю ПО по /и^
— т
х = ——
Отношение 80 тпо определяет, во
сколько раз возрастает время наработки ступени за счет применения воздухоочистителя, а — Ати
Т =------- - на сколько это время увеличива-
ло
ется в результате применения эрозионностойкого покрытия.
Определим величины т и т . Величина т
А во п в
определяется выражением
^100
2 з 8,
=
]=1
(4)
Числитель этого выражения пропорционален уменьшению массы лопаток при отсутствии воздухоочистителя, а знаменатель - этому же параметру при наличии воздухоочистителя. Выражение (1 - У] ) учитывает изменение массы ]-й фракции пыли при прохождении воздухоочистителя. Массовая доля ]-й фракции g]. определяется для заданной функции распределения частиц по размерам по формуле
(5)
В случае если пыль отличается от стандартной или другой, на которой проводились испытания воздухоочистителя, то вводится поправка 8]100 - абразивная способность ]-й фракции относительно пыли со средним размером частиц, например, а?з=100 мкм, которую можно определить для конкретного случая по графику рис. 11 [7].
Нахождение относительного времени увеличения наработки двигателя с лопатками с эрозионностойким покрытием осуществляется следующим образом. Вычисляется величина условной интенсивности износа покрытия толщиной 5 фракцией пыли , массой Ат по формуле
8, =----- -------Ат (6)
] К* -Атэ, ] ()
где К - коэффициент, учитывающий распределение пыли по высоте лопатки к; Ат - экспериментально определенное значение массы -й фракции пыли, необходимой для полного износа покрытия. Для эрозионностойких покрытий [7] первой ступени компрессора двигателя ТВЗ-117 можно определить величину Ат. по графикам рис. 12. Коэффициент К составляет 2,96 при равномерном распределении пыли на входе в ступень и 1,0 при высоте запыленной зоны в концевых сечениях лопаток 0,28.
Величина Ат на входе в компрессор может быть определена через массу этой же фракции пыли на входе в Атп и фракционный коэффици-
ент эффективности воздухоочистителя у по формуле
Ат. = Ат. (1 -\|/ ) .
(7)
Суммируя величины износов покрытия, называемых всеми фракциями пыли, исходя при этом из условия полного износа покрытия, получаем
5 = Ъ8Ат* (1 -У,)
;=і Кэ]Атр
(8)
;обяости фрапдии пыли по
раїиаром частки 1і
Рис. 11. График зависимости поправочного коэффициента е100 от диаметра частиц пыли [7]
Графики зависимости массы фракции пыли способной полностью разрушить покрытие на первой ступени компрессора двигателя ТВ3117 от диаметра частиц
Рамер частий франции пыли ,м«м
Рис. 12. Зависимость массы фракции пыли способной полностью разрушить покрытие от диметра частиц пыли
Величину Ат , выразим в виде
Ат =
1
ъ" ё. (1 -У . )
А=1 К.Атр
(10)
В итоге величина Ахи может быть определена по формуле
1
Ат„ =
т.
(11)
Масса тпо полидисперсной пыли произвольного состава может быть определена с использованием результатов, полученных при испытаниях двигателя по формуле
т„„ = т„
ъ
.=1 п
ъ
=1
ё
(12)
где тпои~ 7 кг для двигателя ТВЗ-117 [7], £ -массовая доля -й фракции пыли, использованной при испытании этого двигателя.
Итоговое выражение для определения увеличения времени наработки ступени за счет использования воздухоочистителя и эрозионностойких защитных покрытий имеет вид
ъ
,=1
ё,
1
в)00 ё. (1 -V,)
т.
ё.(1 -¥,) КэАтэ
(13)
]=3 ]=1
Как показали сравнительные испытания рабочих лопаток 3-й ступени компрессора двигателя ВК 2500К, результаты можно использовать в вышеприведенной методике оценки ком-лексной защиты компрессора от эрозионного воздействия пыли, что позволит упростить ее применение на стадии проектирования двигателя и разработки новых эрозионностойких покрытий.
ВЫВОДЫ
Атш = ё, ■Атп,
(9)
где Атп - масса полидисперсной пыли поступающая в воздухоочиститель, необходимая для полного износа покрытия толщиной 5 ; % . - массовая доля -й фракции в этой пыли.
Тогда из выражения (8) после несложных преобразований получим
1. При разработке узлов вновь проектируемых или модернизируемых ГТД необходимо выявить их уязвимости при эксплуатации в запыленной атмосфере и морской среде и принять конструктивные и технологические решения по их снижению или полному исключению.
2. Разработка мероприятий по уменьшению негативного влияния запыленной атмосферы и
+
морской среды должна сопровождаться выбором критерия предельного состояния ГТД, по которому определяется вклад каждого из них в увеличение времени достижения критического состояния.
3. Эрозионные испытания лопаток компрессора вертолетного двигателя и образцов покрытий [10] показали, что износ многослойных покрытий зависит от химического состава, количества слоев и технологии их нанесения и др. и при оптимальном выборе параметров в несколько раз увеличит время достижения предельного состояния ГТД.
4. Предложенная методика оценки вклада конструктивных и технологических мероприятий по снижению уязвимости ГТД, эксплуатирующихся в запыленной атмосфере, позволяет осуществить комплексный подход к выбору их параметров при проектировании. На-пример, при заданном времени предельного состояния компрессора двигателя, можно снизить потребный коэффициент эффективности воздухоочистителя, повысив при этом эрозионную стойкость покрытия лопаток компрессора, что скажется на улучшении характеристик ГТД.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Рысин Л. С. Пыль как фактор, подлежащий анализу и учету при конструировании вертолетного двигателя // Двигатели ХХ1 века: междунар. науч. конф. М., 2000. С.78-79.
2. Гриценко Е. А., Данильченко В. П. Двигатели семейства «НК» для экранопланов // Изв. вузов. Авиационная техника. 1998. №2. С. 34-38.
3. Гагай В. С. Опыт внедрения конвертированных авиационных ГТД для экранопланов // Изв. вузов. Авиационная техника. 1998. №2. С. 85-90.
4. Малоразмерные газотурбинные и порш-невые двигатели / Пономарев Б. А. // Научный вклад в создание авиационных двигателей. Кн. 1. М.: Машиностроение, 2000, С. 193-216.
5. Вертолетные газотурбинные двигатели/ под ред. В. А. Григорьева и Б. А. Пономарева. М.: Машиностроение, 2007. 490 с.
6. Табаков. Эрозия компрессора и ухудшение характеристик турбомашин // Теоретические основы инженерных расчетов, 1988. №2. С. 298 - 311.
7. Березин Г. В., Сушенцов В. М. Оценка эксплуатационной эффективности совместного применения пылезащитного устройства и защитного покрытия лопаток компрессора вертолетного ГТД // Конструкция двигателей летательных аппаратов, их прочность и надежность: сб. науч. тр. М.: МАИ, 1992. С. 18-24
8. Hussein M. F., and Tabakoff W., Computation and Plotting of Solid Particle Flow in Rotating Cascades, Computer and Fluids. 1974. V. 2. P. 1-15.
9. Шальман Ю. И. Износ и изменение параметров осевой и центробежной ступеней компрессора на запыленном воздухе // Вертолетные газотурбинные двигатели. М.: Машиностроение, 1966. C. 163199.
10. Еникеев Г. Г., Смыслов А. М., Селиванов К. С., Дыбленко Ю. М., Гордеев В. Ю. Сравнительные испытания материалов и покрытий на эрозионную стойкость // Мавлютовские чтения: Росс. науч. техн. конф.: сб. тр. Т 5. Уфимс. гос. авиац. техн. ун-т. Уфа: УГАТУ 2011. С. 86-90.
ОБ АВТОРЕ
Еникеев Галей Гумерович, доц. каф. прил. гидромех. Дипл. инж.-мех. по авиац. двиг. (УАИ, 1967). Канд. техн. наук по тепл. двиг. (УАИ, 1979). Иссл. в обл. механики многофазных сред.
