CC BY
44
УДК 629.7.036.017.25
В.А. Калюжная, В.С.Борисов
Государственное предприятие Запорожское машиностроительное конструкторское бюро «Прогресс» им. ак. А.Г. Ивченко, Украина
ВЛИЯНИЕ ЛОПАТОЧНОГО ДИФФУЗОРА ЦЕНТРОБЕЖНОЙ СТУПЕНИ НА ЗАПАСЫ ГДУ И ВИБРОНАПРЯЖЕННОСТЬ РОТОРНЫХ ДЕТАЛЕЙ
Аннотация: В статье рассмотрены вопросы влияния лопаточного диффузора центробежной ступени компрессора газотурбинного двигателя на запасы газодинамической устойчивости и вибронапряженность роторных деталей центробежной ступени компрессора.
Компрессор высокого давления, центробежная ступень, лопаточный диффузор, газодинамическая устойчивость, пульсация полного давления воздуха, вибронапряженность роторных деталей.
Введение
В процессе проведения летных испытаний двигателей Д-27 в составе силовой установки самолета Ан-70 неоднократно отмечались случаи растрескивания кромок периферийной части рабочих лопаток колеса центробежного компрессора высокого давления (КВД) двигателя. В некоторых случаях развитие дефекта по времени заканчивалось механическим разрушениям лопаток центробежного колеса (обрыв уголков лопаток), а в самом неблагоприятном случае - отделением фрагмента ободной (выходной) части полотна колеса компрессора вместе с лопатками. Аналогичные дефекты имели место и в процессе проведения специальных стендовых испытаний двигателя Д27.
С целью выяснения причин возникновения дефекта и разработки мероприятий по его устранению был выполнен комплекс расчетно-эксперимен-тальных исследований, суть которых изложена в настоящей статье.
Объект исследования
Анализ результатов летных и стендовых испытаний двигателей Д-27, в процессе проведения которых имели место вышеуказанные дефекты, проводимый с использованием объективных данных, регистрируемых в реальном масштабе времени аттестованной многоканальной комплексной информационно-управляющей системой (МКИУС), позволил сделать вывод о том, что вероятной причиной возникновения дефектов на ободной части колеса ЦБК являются повышенные динамические напря-
жения, вызываемые нестационарными газодинамическими процессами в проточной части КВД (пульсации давления), характерные для определенных режимов работы двигателя.
Для проведения стендовых исследований был собран, препарирован и установлен на стенд двух-каскадный газогенератор двигателя Д-27. Лопатки центробежного колеса были препарированы тензо-резисторами, согласно программе исследований вибронапряженности ЦБК. Кроме того, приемниками статического давления была препарирована полость за центробежным колесом. Регистрация величин статического давления в препарированной полости за ЦБК записывалась на стендовые регистраторы МКИУС, ГАММ-1101 и магнитный регистратор SONY. В процессе испытаний по исследованию вибронапряженности ЦБК были отмечены случаи газодинамически неустойчивой работы двухкаскадно-го газогенератора, после чего проточная часть компрессора газогенератора была дополнительно препарирована приемниками полного и статического давления. Схема препарированного КВД двухкас-кадного газогенератора представлена на рис.1.
Измерение величин давления воздуха в проточной части и препарированных полостях компрессора производилось датчиками давления типа «Сапфир» и МИДА. Измерение пульсаций давления - датчиками типа ДМИ. Регистрация параметров производилась на указанные выше стендовые регистраторы.
Ход и результаты испытаний
© В.А. Калюжная, В.С. Борисов 2006 г.
- 14 -
Рис. 1 - Схема препарировки КВД двухкаскадного газогенератора двигателя Д-27 1- Т-образный насадок измерения давления воздуха перед КВД; 2- Т-образный насадок измерения давления воздуха за лопаточным диффузором ЦБК; 3- Измерение давления воздуха в полости отбора воздуха на нужды двигателя и летательного аппарата; 4-препарированные сечения в полости за ЦБК
Испытания двухкаскадного газогенератора по определению вибронапряженности лопаток ЦБК проводились медленным перемещением РУДа для вывода газогенератора на режим закрытия КПВ КНД (режим пк2-=17,5). При этом, на режиме, соответствующем пк£ =16,7 (КПВ КНД открыты) , пвд пр =18710 об/мин,
Пнд пр =13020 об/мин возникало резкое повышение статического давления в полости за ЦБК (рис. 2).
Выполнялся плавный выход на взлетный режим, КПВ КНД закрывались до режима возникновения неустойчивой работы - на режиме =16,4. Неустойчивой работы газогенератора с открытыми КПВ КНД и в момент их закрытия не возникло. При
выходе на взлетный режим
=22,86 , п
Амплитудно-спектральный анализ записей параметров газогенератора с колебаниями давления по проточной части компрессора показывает, что в препарированных сечениях за КВД, в полости за ЦБК возникают колебания давления воздуха с частотой f = 14,65 Гц. Ранее, при стендовых испытаниях однокаскадного газогенератора двигателя (компрессор высокого давления в этих испытаниях устанавливался с двигателя, снятого с летной эксплуатации по причине неустойчивой работы) были получены колебания давления с частотой f = 14,65 Гц при определении границы «нижнего срыва» КВД. Следовательно, явление возникновения колебаний с указанной выше частотой присуще компрессору высокого давления двигателя Д-27.
Рис. 2 - Изменение величины статического давления за КВД и в полости за центробежным колесом
Таким образом, проведенными исследованиями установлено, что причиной возникновения неустойчивой работы компрессора, имевшей место на двигателях Д-27 в процессе летных испытаний,
£Г
т с
ВД пр
=19680 об/мин, Пнд пр =14000 об/мин также произошел резкий рост статического давления, сопровождавшийся ростом температуры tTнд до 941 оС. Газогенератор был экстренно остановлен.
Анализ записей Рквд и Р*вх и показаний тен-зорезисторов показал, что в момент резкого повышения статического давления в полости за ЦБК, в компрессоре газогенератора возникают колебания давления Рквд, аналогичные тем, что возникали на двигателяхД-27 при эксплуатации на самолете Ан-70 в полетах на высотах Н >3000 м и различных скоростях полета, а также повышенные динамические напряжения (до 12 кг/см2) в ободной части колеса центробежной ступени компрессора.
Р..-/1.12
■ 1 1 ГИТ ¿Ш
1 а-а ¡-ис г \ 1—1
является возникновение срывных колебаний потока воздуха в компрессоре высокого давления с частотой f = 14,65 Гц. Возникновение срывных колебаний давления воздуха сопровождается повышением уровня статического давления в полостях за рабочим колесом центробежной ступени КВД и уровня динамических напряжений в ободной части колеса ЦБК.
В момент начала срывных колебаний происхо-
¡ЭБЫ1727-0219 Вестник двигателестроения № 3/2006 # 15 —
дит резкое уменьшение давления за КВД, уменьшение давления за лопаточным диффузором ЦБК и повышение давления в полости за ЦБК. Рассматриваемый фактор указывает на возможную зону зарождения (возникновения) срывных колебаний давления потока воздуха - лопаточный диффузор центробежной ступени, точнее - входной участок первого ряда лопаточного диффузора. В некоторых исследованиях центробежных компрессоров высказываются предположения, что возникающие в центробежных компрессорах колебания давления с достаточно низкой частотой f = 75...19 Гц происходят на входных участках лопаточных диффузоров и не зависят от режима работы компрессора (частоты вращения ротора).
Дальнейший анализ результатов испытаний двухкаскадного газогенератора при возникновении колебаний давления показывает, что имеет место смещение срывной зоны по окружности во времени. Полный оборот срывной зоны происходит за т « 0,07 с. Частота вращения срывной зоны составляет f« 1/0,07=14,65 Гц. Частота вращения ротора КВД на этом режиме составляет пвд = 18600 об/мин или 310 об/с. Относительная скорость перемещения срывной зоны составляет
14,65
ш = 0,047 .
310
Решение проблемы
Одним из эффективных методов повышения запасов ГДУ центробежного компрессора является уменьшение площади проходного сечения в «горле» лопаточного диффузора ЦБК за счет уменьшения высоты канала. Указанное мероприятие приводит к уменьшению углов атаки на лопатках первого ряда лопаточного диффузора и повышению уровня располагаемых запасов ЦБК. С этой целью высота лопаток первого ряда двухрядного
лопаточного диффузора ЦБК была уменьшена на величину 0,7 мм. После подрезки средняя высота канала в «горле» первого ряда лопаточного диффузора составила hг ср = 10,18 мм.
С выполненной доработкой двухкаскадный газогенератор был установлен на стенд для проведения стендовых испытаний по оценке эффективности указанного мероприятия. Стендовые испытания показали эффективность введенного мероприятия. Амплитудно-спектральный анализ параметров по проточной части газогенератора показал, что колебаний давления воздуха Рквд с частотой f « 14,6 5 Гц при работе газогенератора не наблюдалось.
Введенные мероприятия дали положительный эффект по повышению запасов ГДУ компрессора высокого давления, при этом устранены условия возникновения повышенного уровня вибронапряженности лопаток центробежной ступени компрессора двигателя Д-27.
Литература
1. Н.Кампсти Аэродинамика компрессоров/ -М.: Мир, 2000.- 688 с.
2. К.Тояма и др. Экспериментальное исследование помпажа в центробежных компрессорах/ -Ж. Теоретические основы инженерных расчетов, №1, 1977. - 245 с.
Поступила в редакцию 25.07.2006 г.
Анота^я: Розглянут'1 питання впливу втрати газодинам/чно!' ст1йкост1 компресора висо-кого тиску на виникнення п1двищеноïнапруги в лопатках центроб1жноï ступен1 ав1ац1йного двигуна.
Abstract: The questions of influence of loss gas dynamic stability margins of the compressor on origin of the increased stresses in blades of a centrifugal stage of high pressure compressor of the engine D-27 are considered.
