Дефекты бандажированных лопаток высокотемпературных газовых турбин

УДК 621.452.3

ДЕФЕКТЫ БАНДАЖИРОВАННЫХ ЛОПАТОК ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ГАЗОВЫХ ТУРБИН

© 2013 А. И. Белоусов, С. В. Наздрачёв

Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П.Королёва

Проанализированы дефекты бандажных полок лопаток турбины наземного двигателя НК-36СТ и намечены мероприятия по их устранению. Предложена конструкция облегчённой бандажной полки, позволяющая повышать ресурс рабочей лопатки.

Турбина, бандажная полка, перегрев, эрозия, окисление, керамическое покрытие.

Одним из наиболее эффективных способов повышения КПД турбины газотурбинного двигателя (ГТД) является применение бандажной полки для рабочей лопатки. Благодаря почти полному устранению осевого перетекания газа через радиальный зазор и резкому сокращению перетекания газа с корытца на спинку удаётся поднять КПД бандажированной турбины на 1,5 % по сравнению с небан-дажированной конструкцией.

Постановка бандажной полки осложняет обеспечение допустимого уровня нагрузки на втулочное сечение рабочей лопатки и диск в связи с высокими окружными скоростями вращения роторов современных ГТД. Высокие значения температуры в периферийной части тракта осложняют получение приемлемого теплового состояния бандажной полки. Эти проблемы обусловили преимущественное применение небандажированных лопаток для первых высокотемпературных ступеней турбины для ряда двигателей. Тем не менее, такие фирмы, как «Роллс-Ройс», ОАО «Мотор Сич», ОАО «Кузнецов» продолжают использовать на первой ступени турбины бандажирован-ные рабочие лопатки.

Так как повышение температуры газов перед турбиной ГТД и поддержание её на высоком уровне является генеральным направлением развития авиадвигателе-строения [1], то возникает проблема обес-

печения работоспособности бандажиро-ванных рабочих лопаток. Появился целый класс дефектов, связанных с неудовлетворительным температурным состоянием бандажной полки. Исходя из этого направления развития ГТД, представляет интерес рассмотреть температурные дефекты, увязывая их с разработкой методов и средств по их предотвращению и созданию мероприятий с обязательным обеспечением высоких параметров экономичности, безотказности и долговечности (большого ресурса) ГТД.

При температуре газа перед турбиной выше 1400 К, как правило, требуется принудительно охлаждать бандажную полку рабочей лопатки первой ступени.

Одним из способов охлаждения полки является внешний обдув её воздухом через перфорированные сегменты статора. На рис. 1 приведена схема охлаждения бандажной полки рабочей лопатки турбины высокого давления (ВД) многорежимного двигателя. Вторичный воздух из камеры сгорания через два ряда отверстий в статоре поступает в радиальный зазор. Через передний ряд отверстий подаётся воздух в полость между первым и вторым гребешками лабиринтного уплотнения, а через задний ряд - на охлаждение второго и третьего гребешков. Небольшое количество воздуха подаётся также в торец полки через три противопылевых отверстия диаметром 0,6 мм.

Рис. 1. Схема охлаждения бандажной полки внешним обдувом

Такая схема охлаждения бандажных полок была доведена в составе авиационного двигателя.

При конвертировании авиационного двигателя в наземную газотурбинную установку (ГТУ) НК-36СТ были сохранены основные элементы конструкции турбины ВД, в том числе её рабочая лопатка.

При достижении значительных наработок в составе ГТУ начали проявляться дефекты бандажных полок, подобные как имевшим место на авиационном двигателе, так и новые.

На основе анализа состояния лопаток установлено, что большинство дефектов обусловлено неудовлетворительным температурным состоянием бандажной полки. Перегреву бандажной полки способствовало снижение расхода воздуха на её охлаждение с 1,25 % на авиационном двигателе до 0,7 % на ГТУ. Охлаждение бандажных полок некоторых ГТУ вообще было прекращено для повышения КПД двигателя.

Дефекты проявились, в первую очередь, в виде эрозии и окисления задней части бандажной полки. Осмотр полок проводился через каждые 1000 часов эксплуатации. Изменение их состояния показано на рис. 2, а - г. Затемнённые участки полки соответствуют стадиям окисления. Наиболее вероятным местом зарождения дефекта являются участки с нарушением керамического покрытия. На трактовой

поверхности бандажной полки целостность и толщина слоя керамического покрытия в эксплуатации снижается. На таких участках жаростойкость незащищённого металла недостаточна. Потребовалось применить более стойкое покрытие для защиты бандажной полки от окисления; оно должно держаться и на торцевой поверхности полки.

Окисление развивается от участка торца бандажной полки с нарушенным керамическим покрытием. Наработка с начала эксплуатации до начала окисления составила 8000 часов. От стадии начала окисления до отгиба уголка полки прошло более 5000 часов.

В составе одной из ГТУ НК-36СТ отслеживалось состояние лопаток с под-гаром бандажных полок.

До определённого предела указанные дефекты не оказывают существенного влияния на работоспособность лопаток. Опасным представляется такое развитие дефекта, при котором начинается окисление металла у контактных граней бандажных полок. Появляется опасность отделения износостойких пластин, припаянных к граням, окисления и повышенного изнашивания самих пластин. Потеря натяга по контактным граням во время работы может привести к усталостной поломке лопатки и вызвать большие вторичные разрушения турбины. Развитие такого дефекта представлено на рис. 3.

Рис. 2. Изменение состояния бандажных полок по мере развития дефекта: а — лопатка без дефекта; б — начальная стадия окисления; в — развитие окисления; г — наиболее выраженное проявление дефекта с отгибом уголка полки

Рис. 3. Окисление контактной грани бандажной полки (хорошо видна контактная грань соседней лопатки): а — вид на контактную площадку; б — общий вид опасного развития дефекта

Полость

между

гребешками

Канал охлаждения

Контактная грань

Рис. 4. Организация охлаждения контактной грани бандажной полки

Места окисления и последующей обрезки

Рис. 5. Мероприятия против окисления торцов бандажных полок

Окислению контактной грани также способствует выделение тепла от трения при взаимных перемещениях отдельных лопаток. Для устранения дефекта организовано дополнительное охлаждение контактных граней воздухом, поступающим из полости между гребешками через отверстие в боковой зазор. Схема дополнительного охлаждения контактной грани показана на рис. 4.

На авиационном двигателе было внедрено мероприятие в виде подрезки

подверженных окислению участков полки. Подобная подрезка внедрена и для лопаток наземной ГТУ (рис. 5).

На двигателях с убранным охлаждением бандажных полок подверженными перегреву оказались, в первую очередь, «свисающие», наиболее удалённые от пера участки. При исчерпании длительной прочности материала в этих местах под действием центробежных сил происходит вытяжка, надрыв и последующее окисление материала (рис. 6).

Рис. 6. Местная потеря формы бандажной полки с надрывом материала

Наиболее эффективным мероприятием, обеспечивающим приемлемое температурное состояния бандажной полки без повышения расхода охлаждающего воздуха, является применение облегчённой бандажной полки. Вместо трёхгре-бешковой полки целесообразно выполнить два гребешка уплотнения, а охла-

ждающий воздух подавать между ними. С переднего и заднего торцов полки целесообразно удалить свисающие части, которые наиболее подвержены окислению.

Можно выделить четыре схемы облегчения бандажной полки, изображённые на рис. 7.

зона облегчения

Исходный контур заднего ториа

Контур дополнительного облегчения заднего ториа полки

Рис. 7. Схемы облегчения полок: а — с полным осевым перекрытием в районе горла межлопаточного канала; б — с перекрытием только горла межлопаточного канала; в — с перекрытием периферийного сечения при специальной газодинамической профилировке периферийных сечений; г — с неполным перекрытием периферийного профиля

Облегчение по схеме рис. 7, а состоит в удалении материала с входной стороны для приближения контура полки к контуру периферийного сечения пера ло-

патки. С заднего торца механически или в литье удаляется материал с сохранением осевого перекрытия межлопаточного канала в зоне выходной кромки. Такое об-

б

а

г

легчение позволяет уменьшать массу полки на 25-30% по сравнению с исходной полкой.

Облегчение полки с сохранением перекрытия горла межлопаточного канала (рис.7, б) позволяет облегчать полку до 40-45% по отношению к исходной полке и дополнительно до 20 % - по сравнению с первой схемой облегчения.

Схемы облегчения по рис. 7, а и б подходят для проектирования бандажных полок при любой конфигурации периферийных профилей лопаток.

Для облегчения по схеме рис. 7, в группа периферийных сечений выполняется с уменьшенным до 10-20 ° углом установки профиля, что снижает потребный осевой размер для полного перекрытия бандажной полкой периферийного профиля и межлопаточного канала.

Полка, облегчённая по схеме рис. 7, г, потенциально наиболее лёгкая из рассмотренных вариантов. Такая схема позволяет добиваться полного удаления материала для перекрытия от осевого перетекания газа, т.е. сохранять только гребешки. В случае одногребешковой полки такая схема позволяет максимально облегчать бандажную полку. Газодинамическая эффективность такой полки снижается вследствие повышения окружного перетекания газа с корыта на спинку.

Для достижения существенного облегчения полки при сохранении её высокой газодинамической эффективности целесообразно применить комбинированный подход к облегчению. В первую очередь, перепрофилируется перо для уменьшения осевого размера периферийных сечений. Для новой конфигурации периферийных профилей на основе схемы с сохранением перекрытия горла межлопаточного канала (рис. 7, б) спроектирована бандажная полка с практически полностью удалёнными выступающими участками на переднем торце и с максимально приближенным к перу контуром на заднем торце.

а б

Рис. 8. Сравнение двух вариантов лопаток: а — исходный; б — оптимизированный

Такая конструкция бандажной полки позволит снизить расход воздуха на её охлаждение до 50% от исходного. Ожидается выигрыш в КПД двигателя, даже несмотря на повышенные газодинамические потери от введения вырезов в бандажной полке. Применение интенсификации охлаждения для полки подобной конструкции, результаты исследования которой изложены в работе [2], позволит дополнительно снизить потребный расход воздуха на охлаждение бандажной полки.

Следовательно, для вновь разрабатываемых высокотемпературных турбин с бандажной полкой целесообразно применять облегчённую полку подобной конструкции.

42.

1. Кузнецов, Н.Д. Обеспечение надёжности двигателей для гражданской авиации [Текст] / Н.Д. Кузнецов // Основные вопросы теории и практики надёжности. - М.: Советское радио, 1975. - С. 27-

Библиографический список

2. Горелов, Ю.Г. Результаты исследования эффективности струйного охлаждения бандажных полок рабочих лопаток высокотемпературных турбин [Текст] / Ю.Г. Горелов, И.С. Копылов, А.С. Матвеев, Д.А. Якушков // Изв. вузов. Сер. Авиационная техника, 1998. - №2. - С. 99-

102.

DEFECTS OF SHROUDED BLADE PLATFORMS OF HIGH-TEMPERATURE GAS TURBINES

© 2013 A. I. Belousov, S. V. Nazdrachyov

Samara State Aerospace University

The article describes the defects of airfoil shroud platforms of the high pressure turbine of an NK-36ST engine for ground application and shows corrective actions for defect elimination. The structure of a light airfoil shroud platform that can increase the blade lifetime is introduced.

Turbine, airfoil shroud platform, overheat, erosion, oxidation, ceramic coating.

Белоусов Анатолий Иванович, доктор технических наук, профессор кафедры конструкции и проектирования двигателей летательных аппаратов, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет). E-mail: aibelousov@mail.ru. Область научных интересов: конструкция, динамика, прочность, надёжность двигателей летательных аппаратов и энергетических установок;

Наздрачёв Сергей Викторович, аспирант кафедры конструкции и проектирования двигателей летательных аппаратов, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет). E-mail: kovbawood@rambler.ru. Область научных интересов: конструкция и прочность авиационных двигателей и энергетических установок.

Belousov Anatoly Ivanovich, Doctor of Sciences (Engineering), Professor of the Department of Design and Construction of Aircraft Engines, Samara State Aerospace University. E-mail: aibelousov@mail.ru. Area of research: design, dynamics, strength and reliability of aircraft engines and power plants.

Nazdrachyov Sergey Victorovich, postgraduate student of the Department of Design and Construction of Aircraft Engines, Samara State Aerospace University. E-mail: kovba-wood@rambler.ru. Area of research: design and strength of aircraft engines and power plants.

Информация об авторах