CC BY
194
2007
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Студенческая наука
№ 124
УДК 629.735.017.083
ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПОВРЕЖДАЕМОСТЬ ЛОПАТОК КОМПРЕССОРОВ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОРОННИМИ ПРЕДМЕТАМИ
М.Г. БЕЛОУСОВ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Пивоваровым В.А.
Статья подготовлена под руководством доцента, кандидата технических наук Воскобойниковой Л.С.
В статье рассматриваются вопросы повреждаемости проточной части компрессоров АД при попадании посторонних предметов.
В процессе эксплуатации посторонние предметы попадают в проточную часть (ПЧ) двигателей как при движении самолета по взлетно-посадочной полосе, так и в полете. По влиянию на работу двигателя посторонние предметы делят на две группы. Двигатель проходит испытания, если при попадании в его проточную часть предметов I группы не возникает пожара, взрыва или разрушения. При этом оторвавшиеся детали не должны пробивать стенки корпуса, а необходимость выключения должна контролироваться.
Предметы II группы влияют на работу всех силовых установок при единичном попадании. Поэтому принято считать, что в течение 5 минут двигатели должны создавать не менее 75% расчетной тяги без значительных перебоев в работе.
При нахождении самолета в воздухе, особенно на низких высотах, возможно повреждение лопаток из-за попадания птиц в проточную часть компрессора (рис. 1), а также града. Согласно статистическим данным, на долю двигателей, снятых по причине попадания в воздушный тракт птиц, приходится до 40% от общего досрочного съема вследствие забоин.
Как правило, до настоящего времени подлежали досрочному съему и такие двигатели, которые после столкновения с птицами не имели видимых повреждений или имели незначительные повреждения.
Неся значительный экономический ущерб от повреждения двигателей птицами, фирма Пратт-Уитли ввела специальные испытания своих двигателей на их устойчивость к попаданию птиц.
Например, сертификационные испытания по нормам ФАУ двигателя Т9В-70 предусматривали забрасывание на вход в двигатель до сотни ледяных шариков диаметром 25 и 50 мм; кусков льда; нескольких птиц массой около 0,7 кг одновременно и одну птицу массой около 2 кг. Засасывание механических частиц с поверхности аэродрома обусловлено возникновением вихревых жгутов, характера захвата частиц ядром жгута. Захвату посторонних предметов способствуют трещины, щели, разности высот плит покрытия. Размеры зоны захвата зависят от расхода воздуха через воздухозаборник, направления и скорости ветра относительно движущегося самолета.
Ветер выделяется в качестве определяющего фактора (при его отсутствии частицы практически не засасываются). Причем наиболее опасным является боковой и заднебоковой ветер по отношению к направлению движения самолета. Между скоростью потока на входе в воздухозаборник и боковой составляющей скорости ветра существует закономерная связь, при которой образуются нтенсивные вихревые жгуты. Натурными аэродромными экспериментами установлено, что вихревое засасывание происходит только при работе двигателя на месте и движении самолетов со скоростью, не превышающей критическую для данного самолета.
Нередкими в эксплуатации являются случаи попадания в компрессор (при снятой заглушке) посторонних предметов, поднятых с полосы очистительными машинами, или проволоки от щеточных очистителей или контровочной проволоки, забытой техническим персоналом (рис. 2).
Загибы уголков, которые наиболее часто встречаются на лопатках вентилятора, обусловлены попаданием крупных кусков твердого снега или льда, собранных в кучу при очистке полос зимой, а также из-за примерзания при соответствующей температуре воздуха и попадания воды или снега в воздухозаборник. К основным конструктивным факторам, влияющим на интенсивность повреждения лопаток компрессоров, относятся тип воздухозаборника, его геометрические размеры и расположение на самолете.
Определена связь между диаметром воздухозаборника и расстоянием его от земли. При соотношении указанных размеров меньше 1/3 (в числителе - диаметр воздухозаборника, в знаменателе - расстояние от его осевой линии до поверхности земли), вероятность образования вихрей очень мала.
Поэтому рациональная компоновка двигателей на самолете может значительно снизить повреждения компрессорных лопаток.
Существенное влияние на устойчивость к повреждениям лопаток оказывает материал, из которого они выполняются. С этой точки зрения предпочтительно использование титановых сплавов. Композитные материалы, хотя и обладают большой удельной прочностью, не показали удовлетворительной работоспособности при испытаниях.
Предполагается, что нагрузка на лопатку зависит от массы воздействующей частицы и что составляющая относительной скорости перпендикулярна поверхности лопатки (рис. 3). В основном такая схема имитирует столкновение птиц с лопатками вентилятора.
Рис. 3. Схема столкновения предмета с лопаткой вентилятора: і - толщина средней части предмета; Упт - скорость воздушного потока; Ууд - скорость удара;
Ув - скорость лопатки вентилятора; Ун - нормальная составляющая скорости удара
Нагрузки, возникающие при ударе в различных сечениях по высоте лопатки (25% и 80% высоты) в зависимости от скорости самолета, иллюстрируются зависимостями, приведенными на рис. 4. Анализируя их, можно выделить режимы, на которых попадание посторонних предметов вызывает наибольшие нагрузки на лопатки. Из рис. 4а видно, что на режиме набора высоты максимальная нагрузка действует на корневую часть лопатки, а к торцу ее величина
уменьшается. Если считать силу удара по входной кромке пропорциональной местному напряжению в лопатке от действия статической нагрузки (которая зависит от геометрии решетки и векторов скоростей), то величина напряжений, характеризуемая коэффициентом К$, будет больше у конца лопатки и изменяется, как показано на рис. 4б. Этим объясняется в основном большая повреждаемость концевых сечений пера.
При проектировании считаются наиболее опасными два случая: прогиб или поломка входной кромки и поломка лопатки под воздействием изгибающих моментов.
Для концевой части лопатки, работающей в сверхзвуковом потоке, по аэродинамическим требованиям необходимо, чтобы ее перо было всюду тонким, а выходные кромки имели небольшой радиус округления. Для получения минимальной массы двигателя лопатки должны выполняться с минимальной хордой. Эти же параметры определяют повреждаемость от посторонних предметов. Применение лопаток с короткой хордой приводит к увеличению числа лопаток, повреждаемых от птиц или крупного предмета. В крупноразмерных двигателях при попадании птиц повреждаются входные кромки трех-четырех лопаток, в малоразмерных - входные кромки восьми-десяти лопаток. Этот факт наглядно иллюстрирует рис. 1, где изображены лопатки вентилятора двигателя Д-ЗОКУ-154.
Эффективным конструктивным фактором, существенно влияющим на уменьшение повреждаемости лопаток компрессора высокого давления, является соответствующее профилирование проточной части. При определенном профилировании вероятность попадания посторонних предметов во второй контур на тонкие небольшого размера лопатки значительно уменьшается, однако не равна нулю. Например, для двигателя ПС-90А она равна примерно 0,1-0,15% от суммарного количества повреждений лопаток.
Отсюда следует, что одними конструктивными методами избавиться от попадания посторонних предметов в ПЧ невозможно. Меры, применяемые по уборке ВПП и рулежных дорожек, также недостаточно эффективны.
Нельзя исключить и ошибки обслуживающего технического персонала, забывающего посторонние предметы во входном устройстве (например, шайбы, болты, контровочную проволоку, перчатки, инструмент и т.п.).
Невозможно также избавиться от попадания птиц, подобрать оптимальную скорость движения самолета по ВПП и время включения реверсивных устройств. Т.е. влияние только на конструктивные, эксплуатационные факторы не является достаточным условием для решения проблемы уменьшения ДСД по забоинам.
а б
Рис. 4. Зависимости силы удара и коэффициента К на входной кромке лопатки от скорости попадания постороннего предмета в компрессор
Появление самолетов с низко расположенными двигателями, имеющими большую степень двухконтурности и, естественно, больший расход воздуха, способствующий интенсивному вихревому засасыванию посторонних предметов, создает предпосылки к увеличению досрочного съёма двигателей по причине забоин на компрессорных лопатках. Это подтверждает уже накопленный опыт эксплуатации в различных авиакомпаниях самолетов Ил-96, Ту-204, Ту-214.
Как видно из вышеизложенного, проблема повреждаемости компрессоров ГТД посторонними предметами многоаспектна. Большая сложность процессов и явлений, многообразие одновременно действующих и связанных между собой факторов, часто противоречивых, затрудняют её полное решение.
ЛИТЕРАТУРА
1. Fulton G.B. Design and qualification of foreign object damage resistant turbofan blades. - AJAA Paper №751313.
2. Cernoch L., Kachler H.B. Damage-tolerant fan blade design. - AJAA Paper №79-1119.
3. Трощенко В.Т., Матвеев В.В. и др. Несущая способность рабочих лопаток ГТД при вибрационных нагружениях. - К.: Наукова думка, 1981.
4. Jesen J.E. The Ballistic Damage Charactestiks and Damage Tolerance of Wing Structural Elements. - ASTM STP 486, 1971.
5. Самсон В.А. Кинематическая структура потока у воздухозаборников авиационных турбореактивных двигателей // Труды РКИИ ГА. Вып. 232. - Рига, 1972.
6. Самсон В.А. Эксплуатационные и конструктивные факторы, определяющие интенсивность повреждения турбореактивных двигателей посторонними предметами // Эксплуатация и ремонт авиационной техники: Труды РКИИГА. Вып. I. -Рига, 1972. С. 101 - 107.
MAJOR FACTORS INFLUENCING DAMAGEABILITY OF A SHOULDERBRESSORS
OF ENGINES EXTRANEOUS SUBJECTS
Belousov M.G.
In clause guestions of damagebility of a flowing part of compressors aviation engines are considered at hit of extaneous subjects.
Сведения об авторе
Белоусов Михаил Григорьевич, 1988 г.р., студент 2 курса механического факультета МГТУ ГА, область научных интересов - ремонт авиадвигателей, авиамоделирование.
