CC BY
38
МАШИНОСТРОЕНИЕ • ТЕПЛОВЫЕ, ЭЛЕКТРОРАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ И ЭНЕРГОУСТАНОВКИ ЛА
УДК 629.7.036
Б. Р. АБДУЛЛИН, В. П. АЛАТОРЦЕВ, А. В. ГУМЕРОВ, Х. С. ГУМЕРОВ
ОТНОСИТЕЛЬНОЕ ИЗМЕНЕНИЕ ТЕРМОГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ТРДДФСМ ПОСЛЕ РЕМОНТА ПО ВЫРАБОТКЕ РЕСУРСА
Рассматривается метод решения задачи по оценке качества отремонтированных двигателей путем сравнения соответствующих термогазодинамических параметров после отладки отремонтированных и новых двигателей. Авиационный газотурбинный двигатель ; ремонт ; проточная часть ; зазор ; эксплуатационный дефект
Одной из целей решения проблемы безопасности полетов при эксплуатации летательных аппаратов является разработка технологий, увеличивающих время безопасной эксплуатации.
Применительно к силовой установке летательного аппарата в связи с этим возникает необходимость определения обоснованных допустимых отклонений основных параметров от номинальных значений на различных режимах работы, что дает возможность уточнять базовые характеристики применительно к индивидуальным двигателям, тем самым способствуя более точным оценкам развития повреждений проточной части двигателя. Воздушно-газовый тракт газотурбинного двигателя характеризуется большим количеством всевозможных размеров, контролируемых при изготовлении, сборке и разборке деталей и узлов. Существенная часть этих размеров связана с лопаточными машинами (с контролем аэродинамических поверхностей всех лопаток компрессора и турбины). Естественно, что влияние всех размеров на характеристики узлов и параметры двигателя в целом неравнозначно и, кроме того, изменение этих размеров в процессе наработки двигателя в эксплуатации также происходит различным образом. Выбор значимых геометрических факторов и построение аналитической модели двигателя с учетом выработки ресурса, регламента промывок и восстановительных мероприятий возможно только на основании комплексного исследования, обобщающего теоретические расчеты, статистические данные результатов кратковременных и длительных испытаний, прямых экс-
Контактная информация: (347)273-79-54
периментов на двигателе с имитацией влияния на характеристики двигателя достоверно установленных эксплуатационных дефектов.
Анализ проведенных к настоящему времени многочисленных теоретических и экспериментальных исследований [1] позволяет выделить по каждому из узлов двигателя перечень размеров, претендующих на включение в аналитическую модель двигателя. Сгруппированные по турбокомпрессорной части ГТД это следующие размеры:
• для осевых компрессоров:
1) радиальные зазоры по рабочим лопаткам;
2) размеры, характеризующие профили лопаток (рабочих и направляющих), такие как: относительная толщина профиля, толщина входной и выходной кромок, угол установки профиля в венце, угол изгиба средней линии профиля, распределение толщины профиля по хорде, форма средней линии профиля;
3) диаметры по торцам рабочих лопаток;
4) диаметры и зазоры по лабиринтным уплотнениям;
5) уступ по бандажным полкам;
• для турбин:
1) радиальные зазоры по рабочим лопаткам;
2) пропускная способность аппарата закрутки охлаждающего воздуха;
3) зазор между козырьком аппарата закрутки и внутренними полками блоков лопаток;
4) размеры, характеризующие качество изготовления пера и венца (толщина выходной кромки, угол установки профиля в решетке);
5) площадь критического сечения соплового аппарата (или пропускная способность).
В общем случае указанные размеры в проточной части турбомашин определяют действи-
тельные характеристики компрессоров и турбин двигателя и положение рабочей точки для определенного режима работы на этих характеристиках, и, как следствие, основные термогазодинамические параметры двигателя (тяга, расход топлива, расход воздуха, температуры и давления по тракту двигателя). Колебание перечисленных размеров в заданных по ТУ допусках и является причиной рассеивания термогазодинамических параметров новых серийных двигателей, а неслучайное изменение размеров в процессе наработки в эксплуатации - причиной тренда основных термогазодинамических параметров двигателя (рис. 1, 2).
Влияние малых изменений каждого из размеров на характеристики турбомашин и параметры изделия в целом достаточно сложно по физической природе и математическому описанию и, кроме того, неравноценно по количест-
венной величине. Например, выступание и уто-пание замков лопаток компрессора относительно трактовой поверхности и размеры, характеризующие качество профиля лопаток, по физическому влиянию имеют аналогию с производственными допусками на аэродинамические поверхности самолета (волнистость обшивки, уступы и зазоры).
Согласно [2] для одновального ТВД Т-56 фирмы Allison типичными эксплуатационными дефектами, влияющими на характеристики узлов и двигателя в целом, являются: эрозия соплового аппарата первой ступени турбины; отрицательная крутка рабочих лопаток первой ступени турбины; износ лабиринтных уплотнений компрессора; увеличение радиального зазора в лопатках первой и второй ступеней компрессора.
Рис. 1. Т ипичное изменение параметров двигателя в процессе эксплуатации
Режим Муб
П2протн, % S0 = 96,38%, a 0,1
П2протн, % _D" Сглаженные значения Запуск
Режим М
■ Ремонтный (средний по 4 дв.)
■ Ремонтный (средний по 4 дв.)
Режим М
п, %
п,, %
^ кгс Режим ПФ
Ремонтный (средний по 4 дв.) Т*г, К
R, кгс Режим ПФ
111,0 111,5 112,0 112,5 113,0 113,5 114,0
Ремонтный (средний по 4 дв.) G кг^
Щ, %
98.7
98.6 98,5 98,4 98,3 98,2 98,1
98
97,9
97.8
97.7
Режим М
98,43
Ш111111
98,01
Новые
После ремонта
7,1
7,05
7
6,95
6,9
6,85
6,8
6,75
7,05
6,95
щ шш
ими
шиїї
Новые
После ремонта
П ті
П2, % 100 99,9 ,8
Режим М
Новые
После ремонта
Рис. 5. Сравнительные термогазодинамические параметры новых и ремонтных двигателей
на максимальном режиме
П2, % Режим ПФ
Рис. 6. Сравнительные термогазодинамические параметры новых и ремонтных двигателей
на режиме полного форсажа
Для двигателей JT9D и CF6-6D определены типичные эксплуатационные дефекты, влияющие на топливную экономичность [3] (программа NASA: ACEE - Aircraft Energy Efficiency). В холодной части двигателя (одноступенчатый вентилятор и многоступенчатый компрессор) основным дефектом является нарушение качества поверхностей профилей лопаток - эрозия, шероховатость. В горячей части преобладающим дефектом является термическая деформация, вызывающая искривление лопаток турбины. Увеличение радиального зазора по концам лопаток турбомашин вследствие истирания наружного корпуса также связано с деформацией. Установлено косвенное влияние дефектов камеры сгорания. Так, нарушение заданных радиальной или окружной эпюр температурного поля могут вызвать перегрев и коробление корпуса и изменение радиального зазора лопаток турбины.
Статистическая информация по двигателям, прошедшим ремонт, и последующие испытания позволяют оценить качество отремонтированных двигателей сравнением соответствующих термогазодинамических параметров после отладки отремонтированных и новых двигателей. На рис. 3 и 4 приведены эллипсы рассеивания параметров новых двигателей на двух режимах работы (максимальном и полного форсирования), на фоне которых изображены средние параметры двигателей, прошедших ремонт по действующей технологии. Как видно из рис. 3 и 4, большинство параметров ремонтных двигателей находится в секторе эллипса рассеивания, логично отражающего ухудшение параметров и целенаправленное изменение отладочных параметров n1 и п т. На рис. 5 и 6 приведены сравнительные характеристики основных термогазодинамических параметров для двух статистических выборок (новых и отремонтированных) двигателей. На рис. 7-10 приведены результаты контроля значимых геометрических размеров одного из двигателей, прошедших ремонт, в сопоставлении с полем допуска.
0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 2,3 мм
Рис. 8. Радиальный зазор по рабочим лопаткам ТВД и ТНД
L
-------------
Вз
В2
0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0
Рис. 9. Радиальный зазор по КВД
1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8
мм
ТНД
ТВД
1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5
мм
Рис. 7. Средний зазор по рабочим лопаткам ТВД и ТНД
Рис. 10. Замеры радиальных зазоров К1-К8, распределения зазоров и их средние значения
ВЫВОДЫ
Приведенные результаты контроля значимых геометрических размеров (рис. 7-10) позволяют предположить, что основной причиной отмеченного изменения термогазодинамических параметров двигателей после ремонта является
В
В
В
мм
состояние профиля лопаток турбомашин, в том числе радиальных зазоров.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Magnus, G. Theory for Turbomachinery Degra-
dation and Monitoring Tools. Licentiate Thesis / G. Magnus [Электронный ресурс] (http://
www.scirus.com/publications)
2. Организация эксплуатационного обслуживания и восстановительного ремонта ТРДД // Экспресс-информация. Поршневые и газотурбинные двигатели. М. : ВИНИТИ, 1982. № 36. С. 12-17.
3. Эксплуатационные дефекты двигателей самолетов гражданских авиалиний // Экспресс-информация. Поршневые и газотурбинные двигатели. М. : ВИНИТИ, 1982. № 8. С. 15-20.
ОБ АВТОРАХ
Абдуллин Булат Ринатович,
ассист. каф. авиац. двигателей. Дипл. магистр техники и технологии (УГАТУ, 2000). Иссл. в обл. проектир. и доводки авиац. двигателей.
Алаторцев Владимир Петрович, доц. каф. авиац. двигателей. Дипл. инж.-мех. по авиац. двигателям (УАИ, 1964), канд. техн. наук по тепловым двигателям ЛА (УАИ, 1971). Иссл. в обл. проектир. и доводки авиац. двигателей.
Гумеров Александр Витальевич, асп. каф. авиац. двигателей. Дипл. инженер по авиац. двигателям и энергоустановкам (УГАТУ, 2006). Иссл. в обл. проектир. и доводки авиац. двигателей.
Гумеров Хайдар Сагитович,
проф. каф. авиац. двигателей. Дипл. инж.-мех. (УАИ, 1958). Д-р техн. наук по тепловым двигателям ЛА (УАИ, 1988), за-служ. деятель науки и техники РБ. Иссл. в обл. проектир. и доводки авиац. двигателей.
