CC BY
58УДК 621.433
А.Н. Михайлов1, В.А. Михайлов1, Д.А. Михайлов2, А.В. Костенко3, А.П. Пичко1, Н.С. Пичко4
1 Донецкий национальный технический университет, Донецк, 283001;
2Академия гражданской защиты МЧС ДНР, Донецк, 283050;
3 Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003;
4 Усинский филиал Ухтинского государственного технического университета,
Усинск, 169710 e-mail: tm@fimm.donntu.org
НОВЫЕ ТЕНДЕНЦИИ В ПОВЫШЕНИИ РЕСУРСА ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И УСТАНОВОК НА ОСНОВЕ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНО-ОРИЕНТИРОВАННЫХ СВОЙСТВ
В работе выполнен анализ особенностей эксплуатации элементов, узлов и подсистем газотурбинных двигателей и установок. Разработан общий подход и основные принципы повышения ресурса газотурбинных двигателей и установок. А также даны рекомендации по применению общего подхода в повышении ресурса газотурбинных двигателей и установок на основе обеспечения функционально-ориентированных свойств.
Ключевые слова: ресурс, газотурбинный двигатель, свойства, функциональная ориентация, технология.
^N. Mikhailov1, VA. Mikhailov1, D.A. Mikhailov2, А.V. Kostenko3, А.P. Pichko1, N.S. Pichko4
1 Donetsk National Technical University, Donetsk, 83001; 2 Academy of Civil Defense, Donetsk, 83050; 3 Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003; 4 Usinsk Branch of Ukhta State Technical University, Usinsk, 169710 e-mail: tm@fimm.donntu.org
NEW TRENDS IN GAS-TURBINE ENGINES AND PLANTS OVERHAUL-PERIOD RENEWAL BASED ON THE FUNCTIONALLY ORIENTED PROPERTIES SUPPLY
The operation features of elements, assemblies and subsystems of gas turbine engines and units are analized. A general approach and basic principles of gas-turbine engines and plants overhaul-period renewal have been developed. And also guidance for use of a general approach gas-turbine engines and plants overhaul-period renewal based on the functionally oriented properties supply is given.
Key words: resource, gas turbine engine, properties, functional orientation, technology.
Введение
Научно-технический прогресс ставит перед машиностроителями все новые более сложные задачи, связанные с обеспечением качественно новой совокупностью свойств деталей машиностроения, автоматизацией производственных процессов, повышением эффективности производства, снижением себестоимости изготовления изделий, экологической безопасностью производства и решением других насущных проблем. Это обусловлено запросами общества, возможностями науки, техники и развитием экономики.
В настоящее время в народном хозяйстве широко используются газотурбинные двигатели (ГТД) [1] и газотурбинные установки (ГТУ) [2] для обеспечения определенных целевых функ-
ций машин и технологических систем различного назначения. ГТД (рис. 1) и ГТУ (рис. 2) применяются в авиации для самолетов и вертолетов, в судостроении для судовых силовых установок, в нефтегазовой промышленности как технологические системы, в транспортной промышленности для повышения эффективности работы тяжелых и высокоскоростных машин и других отраслях промышленности. Такое широкое использование ГТД и ГТУ обусловлено их высокой эффективностью и устойчивыми эксплуатационными параметрами работы, в том числе и в тяжелых и высокоскоростных условиях.
а б
Рис. 1. Общий вид газотурбинных двигателей: а - авиационный двигатель модели АИ-25; б - вертолетный турбовальный двигатель модели ТВ3-117В
а б
Рис. 2. Газотурбинная установка SGT 300 Tempest 7.9 МВт: а - общий вид установки; б - центральная часть установки
Вместе с тем следует заметить, что ГТД и ГТУ состоят из множества различных элементов, узлов и подсистем, которые имеют различный ресурс работы [3]. При выходе из строя необходимо выполнять их замену или производить ремонтные работы. Это снижает технико-экономические показатели этих систем в целом, не обеспечивает полное использование всех элементов, узлов и подсистем, а также не позволяет повышать их эксплуатационный потенциал. Это обусловлено множеством факторов и прежде всего тем, что на элементы, узлы и подсистемы действуют переменные во времени и в пространстве эксплуатационные функции, а именно эрозионные, коррозионные, термические, химические, физические и другие вредные воздействия. Эти неравномерности приводят к неравномерным и неодинаковым разрушениям технологических поверхностей, элементов, узлов и подсистем двигателей и установок, что снижает ресурс их работы в целом, а в ряде случаев, невозможности восстановления этих элементов, узлов и подсистем при ремонтных работах.
Выполненные исследования позволили сделать следующие основные выводы:
1. ГТД и ГТУ состоят из множества различных элементов, узлов и подсистем, которые имеют различный ресурс работы. При выходе из строя необходимо выполнять их замену или производить ремонтные работы. Это снижает технико-экономические показатели этих систем в целом, не обеспечивает полное использование всех элементов, узлов и подсистем, а также не позволяет повышать их эксплуатационный потенциал.
2. На элементы, узлы и подсистемы ГТД и ГТУ действуют переменные во времени и в пространстве эксплуатационные функции, а именно эрозионные, коррозионные, термические, химические, физические и другие вредные воздействия.
3. Эти неравномерности приводят к неравномерным и неодинаковым разрушениям технологических поверхностей, элементов, узлов и подсистем ГТД и ГТУ, что снижает ресурс их работы в целом, а в ряде случаев к невозможности восстановления этих элементов, узлов и подсистем при ремонтных работах.
На основании этих выводов в работе определена следующая цель работы.
Целью данной работы является повышение общего ресурса ГТД и ГТУ в условиях действия неравномерных эксплуатационных воздействий на их элементы, узлы и подсистемы на основе обеспечения равенства ресурсов, увеличения межремонтного ресурса и количества возможных восстановлений их элементной базы на основе обеспечения функционально-ориентированных свойств (ФОС) [4], реализуемых на базе принципов функционально-ориентированных технологий (ФОТ).
В соответствии с поставленной целью в работе определены следующие задачи:
1. Выполнить исследования особенностей эксплуатации элементов, узлов и подсистем ГТД и ГТУ.
2. Разработать общий подход и основные принципы повышения ресурса ГТД и ГТУ в условиях действия неравномерных эксплуатационных воздействий на их элементы, узлы и подсистемы.
3. Дать рекомендации по применению общего подхода в повышении ресурса ГТД и ГТУ на основе обеспечения функционально-ориентированных свойств элементов, узлов и подсистем за счет применения функционально-ориентированных технологий.
Эти задачи решаются в данной работе.
Общие положения
Выполненный анализ существующих вариантов структурных схем ГТД или ГТУ позволил свести все схемы к трем основным вариантам. Можно отметить, что ГТД или ГТУ состоят из множества структурных элементов, и он работает в сложных эксплуатационных условиях. При этом состав ГТД или ГТУ можно представить универсальной структурой. В частности, компрессор, турбина или свободная турбина имеют сложную структуру лопаток, поэтому в целом это сложные технические системы.
Если рассматривать работу ГТД или ГТУ, можно отметить то, что теоретически они работают в соответствии с идеальным термодинамическим циклом Брайтона. Однако на практике они работают по реальному термодинамическому циклу, который отличается от идеального наличием потерь в процессе сжатия, расширения и при подводе теплоты. При этом в процессе их работы, из-за сложных эксплуатационных воздействий среды на его элементы, узлы и подсистемы происходит эрозионное, коррозионное, абразивное, термическое, химическое разрушение поверхностного слоя деталей двигателя. Это приводит к возникновению еще большего отличия реального от идеального термодинамического цикла работы ГТД или ГТУ.
Выполненные исследования особенностей работы ГТД или ГТУ показывает, что структурные элементы разрушаются (изнашиваются) в процессе эксплуатации неравномерно. Это обусловлено особенностями их эксплуатации и различным характером разрушений структурных элементов. Они связаны с различным характером эксплуатационных воздействий. Поэтому в процессе обеспечения свойств эти особенности необходимо учитывать и обеспечивать свойства структурным элементам ГТД или ГТУ в соответствии с их особенностями эксплуатации. Это возможно обеспечивать на основе обеспечения ФОС посредством применения ФОТ [4-6].
Следует отметить, что неравномерность действия эксплуатационных воздействий происходит в подсистемах структурных элементов ГТД или ГТУ. Например, в компрессоре ГТД серии ТВ3-117 имеется пять групп ступеней лопаток, в каждой из которых имеется своя неравномерность износа лопаток (неравномерность 2-го рода) и неравномерность износа по группам ступеней (нерав-
номерность 3-го рода). Такие же особенности действия неравномерностей имеется в подсистемах турбины, причем между лопатками компрессора и лопатками турбины формируются свои неравномерности, которые приводят к неодинаковым разрушениям лопаток этих групп.
Можно отметить, что по функциональным элементам лопатки также действуют неравномерные эрозионно-абразивные воздействия. При этом они разрушаются неравномерно. Эти неравномерности можно отнести к неравномерностям 1-го рода. Разрушения пера лопатки начинается с верхней части входной кромки и распространяется к выходной кромке по поверхности корыта пера.
В представленной работе выполнен анализ особенностей эксплуатации лопаток турбокомпрессора и показаны виды эксплуатационных воздействий среды на лопатки компрессора. При этом представлены виды эксплуатационных разрушений лопаток осевого компрессора и параметры, влияющие на возникновение неравномерностей разрушения лопаток компрессора. А также здесь показан общий вид лопаток компрессора ГТД модели ТВ3-117 и особенности их разрушений.
Таким образом, выполненные исследования позволили установить следующее:
1. ГТД и ГТУ имеют сложную структуру и состоят из множества элементов (лопаток), узлов и подсистем. Эти элементы структурированы в ступени лопаток, группы ступеней и подсистемы.
2. В процессе эксплуатации ГТД и ГТУ на структурные элементы, в каждой группе лопаток, между группами ступеней лопаток, между узлами и ступенями действуют изменяющиеся по этим элементам эксплуатационные воздействия (эрозионные, коррозионные, химические, физические, механические и комбинированные воздействия).
3. Существующие традиционные методы повышения ресурса ГТД и ГТУ не позволяют обеспечивать дальнейшее повышение их ресурса в условиях действия неравномерных эксплуатационных воздействий.
4. Для повышения ресурса ГТД и ГТУ, работающих в условиях действия неравномерных эксплуатационных функций и соответственно неравномерных разрушений элементов, узлов и подсистем необходимо обеспечивать специальные неравномерные их свойства, причем в соответствии с действием эксплуатационных функций. Это возможно выполнять на основе применения функционально-ориентированных технологий (ФОТ).
5. Обеспечение ФОС на базе ФОТ позволяет исключить действие неравномерных эксплуатационных функций и повысить ресурс ГТД и ГТУ.
6. Главным в применении ФОТ для повышения ресурса ГТД или ГТУ является то, что создаются условия для повышения полного эксплуатационного потенциала ГТД и адаптации их элементов, узлов и подсистем к особенностям эксплуатации.
В представленной работе показаны основные особенности обеспечения ФОС для ГТД и ГТУ, а также даны их эксплуатационные особенности с ФОС.
В работе разработан общий подход в обеспечении ФОС ГТД и ГТУ (рис. 3), а также представлена гипотетическая схема общего подхода в обеспечении ФОС. Общий подход базируется на предположении: между эксплуатационными функциями F, технологическими воздействиями и свойствами элемента действуют определенные связи, а именно: подобия, соответствия, идентичности, аналогии, эквивалентности и адекватности. Здесь можно отметить, что структура связей между элементами модели имеет замкнутую форму, которая позволяет определять параметры технологических воздействий и свойств детали в зависимости от особенностей действия эксплуатационных функций на элементы детали. Петли модели ф7 обозначают внутренние процессы в 7-м объекте системы. В работе представлен алгоритм реализации общего подхода синтеза функционально-ориентированных технологий.
I
Рис. 3. Гипотетическая схема общего подхода в обеспечении ФОС
Можно отметить, что общий подход базируется на группе особых принципов ориентации функционально-ориентированных свойств и технологических воздействий.
В работе представлены основные характеристики общего подхода в повышении ресурса ГТД и ГТУ на основе обеспечения ФОС, а также выполнен анализ эксплуатационных особенностей ГТД и ГТУ с ФОС элементной базы.
Здесь показано, что разработанный общий подход в повышении ресурса ГТД и ГТУ на базе обеспечения ФОС позволяет обеспечивать:
1) повышение общего ресурса ГТД и ГТУ за счет увеличения межремонтного ресурса и количества восстановлений деталей;
2) возможность выработки полного потенциала элементов ГТД и ГТУ;
3) выполнение реализации полного, ограниченного или заданного эксплуатационного потенциала всех элементов ГТД или ГТУ;
4) возможность управления ресурсом работы ГТД или ГТУ в зависимости от условий заказчика.
При этом здесь рассмотрены варианты случаев:
- восстановления работоспособности элементов ГТД или ГТУ путем ремонта их элементов и обеспечения ФОС;
- восстановления работоспособности элементов ГТД или ГТУ путем установки в системы запасных частей с ФОС.
Следует отметить, что функционально-ориентированные свойства элементов, подсистем ГТД или ГТУ обеспечивают качественно новую совокупность их свойств.
В данной работе представлены технологические методы и оборудование для реализации ФОС для элементов ГТД и ГТУ.
Общие выводы
В заключение можно отметить, что выполненные исследования и предлагаемый общий подход позволяют решать вопросы повышения общего ресурса ГТД и ГТУ в условиях действия неравномерных воздействий на их элементы, узлы и подсистемы за счет увеличения межремонтного ресурса и количества возможных восстановлений на основе обеспечения ФОС, реализуемых на базе принципов ФОТ.
В целом в представленной работе приведено следующее:
1. Выполнен анализ особенностей эксплуатации элементов, узлов и подсистем ГТД или ГТУ, при этом установлено, что детали этих систем эксплуатируются в условиях действия неравномерных эксплуатационных функций.
2. Разработан общий подход и принципы повышения ресурса ГТД и ГТУ на основе обеспечения деталям и узлам двигателя ФОС.
3. Выполнен анализ и даны рекомендации по применению общего подхода в повышении ресурса ГТД или ГТУ на основе обеспечения ФОС элементам, узлам и подсистемам с использованием разработанных технологий.
Литература
1. Григорьев В. А. Вертолетные газотурбинные двигатели. - М.: Машиностроение, 2007. -491 с.
2. Корж В. В., Сальников А.В. Эксплуатация и ремонт оборудования насосных и компрессорных станций: Учеб. пособие. - Ухта: УГТУ, 2010. - 184 с.
3. Пичко А.П. К определению структурной надежности газотурбинных установок нефтегазовой промышленности // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сборник научных трудов. - Донецк: ДонНТУ, 2018. - Вып. 3 (62). - С. 54-74.
4. Михайлов А.Н. Основы синтеза функционально-ориентированных технологий. - Донецк: ДонНТУ, 2009. - 346 с.
5. Михайлов В. А. Общие основы и принципы повышения ресурса газотурбинных двигателей на базе функционально-ориентированного подхода // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сборник научных трудов. - Донецк: ДонНТУ, 2017. - Вып. 3 (58). -С.32-43.
6. Михайлов В. А., Михайлов А.Н., Байков А.В. Комплексное повышение ресурса всех групп лопаток компрессора турбовального ГТД на основе функционально-ориентированного подхода // Наукоемкие технологии в машиностроении. - Брянск: ФГБО ВО «БГТУ». - 2017. -№ 9. - С. 42-48.
