СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМОВ ВЛАЖНОЙ ОЧИСТКИ ПРОТОЧНОГО ТРАКТА ГТД
METHOD OF DETERMINATION OF RATIONAL PARAMETERS OF MODES OF WET CLEANING OF GTE FLOW DUCT

Изобретение относится к газотурбостроению и предназначено для определения рациональных параметров режимов влажной очистки проточного тракта газотурбинных двигателей (ГТД) на малоразмерной стендовой установке в заводских (цеховых) условиях без дорогостоящих опытно-промышленных испытаний двигателей.
Известно устройство и способ влажной очистки проточного тракта ГТД (патент GB 1258315, МПК F01D 25/00, опубл. 30.12.1971), выполненное в виде кольцевого коллектора, расположенного снаружи воздухозаборника двигателя и снабженного рядом форсунок. При этом сопла форсунок для впрыска жидкости-очистителя расположены радиально внутрь или в направлении вдоль канала по потоку воздуха.
Такое расположение сопел форсунок не обеспечивает требуемой эффективности и приемлемой экономичности очистки. Дело в том, что указанное расположение приводит к неравномерному распылу жидкости-очистителя по всему сечению проточного тракта; участки лопаток, расположенные ближе к втулочной части ротора и сама втулочная часть остаются неочищенными. Давление подачи промывочной жидкости должно быть существенным для того, чтобы «прошить» перпендикулярно весь воздушный поток в воздухозаборнике, что обусловливает большой расход жидкости. Кроме указанного устройство по патенту GB 1258315 имеет и другой недостаток - оно приводит к увеличению радиальных размеров воздухозаборника ГТД и его массы.
Указанных недостатков не имеет способ (Авт. св. СССР №1244994, МКИ F02C 7/00, опубл. 10.07.2004). В данном способе очистку проточного тракта ГТД осуществляют струей сжатого воздуха и жидкостью-очистителем. Направление выходных сопел форсунок, через которые подают жидкость-очиститель кольцевого контура связанно с высотой h воздушного тракта на входе в двигатель и длинной 1 расположения форсуночных отверстий от лопаток входного направляющего аппарата (ВНА) посредством угла наклона α упомянутых сопел форсунок к образующей проточного тракта.
<mrow><mi>α</mi><mo>=</mo><mo>±</mo><msup><mrow><mn>90</mn></mrow><mo>∘</mo></msup><mo>−</mo><mi>a</mi><mi>r</mi><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mi>h</mi><mi>l</mi></mfrac><mo stretchy="false">)</mo><mtext>                                                         </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
ж
в
Величина угла α зависит от скорости жидкости V с учетом направления и величины вектора скорости V воздушного потока.
Данному способу влажной очистки присущ один существенный недостаток, заключающийся в том, что для определения рациональных параметров режимов проведения очистки необходимы предварительные дорогостоящие опытно-промышленные испытания натурных двигателей, при которых должны определяться основные ее параметры: давление подачи (или перепад давления) жидкости-очистителя, время проведения очистки, эффективность применяемых для очистки жидкостей, расход жидкостей и некоторые другие параметры.
Задача изобретения - определить рациональные параметры режимов влажной очистки проточного тракта ГТД простым и недорогим способом на малоразмерной стендовой установке в цеховых (заводских) условиях с тем, чтобы исключить дорогостоящие опытно-промышленные испытания натурных двигателей, проводимые для указанных целей.
Решение указанной задачи достигается тем, что в способе определения рациональных параметров режимов влажной очистки проточного тракта ГТД, включающем обдувку струей сжатого воздуха и подачу жидкости-очистителя, согласно изобретению, определение параметров проводят на малоразмерной стендовой установке при очистке реальных деталей, например, кассеты образцов в виде сектора лопаток, взятых из направляющего аппарата компрессора, с предварительным закреплением их на торце смесительной камеры установки, имитирующей проточную часть двигателя, при этом обдувку воздухом образцов осуществляют со скоростью, равной скорости воздушного потока в проточной части двигателя на режиме его работы, принятом для проведения очистки, с одновременной подачей в смесительную камеру жидкости-очистителя.
Для обеспечения требуемой скорости воздушного потока в смесительной камере стендовой установки, воздух в нее подают под перепадом давления, определяемым из соотношения
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>P</mi><mrow><mi>в</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>8</mn><msubsup><mi>F</mi><mi>S</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>⋅</mo><msubsup><mi>V</mi><mrow><mi>в</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>в</mi></msub></mrow><mrow><msup><mi>π</mi><mn>2</mn></msup><msubsup><mi>d</mi><mi>в</mi><mn>4</mn></msubsup></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                                                       </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
а жидкость-очиститель - под перепадом давления, рассчитываемым по зависимости
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>P</mi><mrow><mi>ж</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mi>с</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>ж</mi></msub><mo>⋅</mo><msubsup><mi>G</mi><mrow><mi>в</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>⋅</mo><msup><mrow><mi>sin</mi></mrow><mn>2</mn></msup><mo stretchy="false">(</mo><mi>a</mi><mi>r</mi><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>h</mi><mo>/</mo><mi>l</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mn>2</mn><msubsup><mi>ρ</mi><mi>в</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>⋅</mo><msubsup><mi>F</mi><mi>в</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                               </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Подвод сжатого воздуха в смесительную камеру установки осуществляют через форсунку с диаметром проходного сечения, определяемым из соотношения
<mrow><msub><mi>d</mi><mi>в</mi></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mn>4</mn><msub><mi>F</mi><mi>S</mi></msub></mrow><mrow><mi>π</mi><mo>⋅</mo><mi>k</mi></mrow></mfrac></mrow></msqrt><mo>,</mo><mtext>                                                                                           </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
а подачу жидкости-очистителя в смесительную камеру производят через форсунки в количестве, рассчитываемом по зависимости
<mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>γ</mi><mi>к</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>γ</mi><mi>ф</mi></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                                                                                  </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>5</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
и с диаметром проходного сечения, определяемым по формуле
<mrow><msub><mi>d</mi><mi>ж</mi></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mn>4</mn><msub><mi>F</mi><mi>S</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>F</mi><mi>в</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>в</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>t</mi><mi>d</mi></msub></mrow><mrow><mi>π</mi><mo>⋅</mo><mi>n</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>ϕ</mi><mi>с</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>μ</mi><mi>ж</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>G</mi><mrow><mi>в</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>a</mi><mi>r</mi><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>h</mi><mo>/</mo><mi>l</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac></mrow></msqrt><mo>.</mo><mtext>                                                   </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>6</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
В расчетных зависимостях (2)…(6) имеем:
в
ж
3
ρ и ρ - плотность воздуха и жидкости-очистителя, соответственно, кг/м;
в
ж
µ и µ - коэффициент расхода воздуха и жидкости, соответственно;
с
φ=0,70…0,96 (см., например, Кулагин В.В. Теория, расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок. Учеб. пособие. 2-е изд., исправл. - М.: Машиностроение, 2003. - с.105);
в(i)
V - скорость воздушного потока в воздухозаборнике двигателя на i-м режиме его работы, м/с;
в(i)
G - массовый расход воздуха через двигатель на i-м режиме его работы, кг/с;
в
ж
d и d - диаметр проходного сечения форсунок для подачи в смесительную камеру, соответственно, сжатого воздуха и жидкости очистителя, м;
в
S
2
F и F - площадь поперечного сечения воздухозаборника двигателя и смесительной камеры стендовой установки, соответственно, м;
h и l - высота омываемой поверхности образцов лопаток и расстояние от кассеты образцов до оси жидкостных форсунок, соответственно, м;
n - количество жидкостных форсунок;
d
-3
t=(0,8÷1,5)·10 м/с - динамический слой жидкости-очистителя (см. например, Силаев Б.М., Мальцев Е.H. Теоретическое обоснование конструктивной схемы устройства для промывки газовоздушного тракта ГТД/Вестник СГАУ, №3(19), 4.2 - Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2009 - С.167-171);
к
γ - угол сектора кассеты образцов-лопаток;
ф
γ=10°-20° - угол распыла струйной форсунки (см. например, А.П.Васильев, В.М.Кудрявцев и др. «Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей», М.: «Высшая школа», 1967 г., стр.228);
<mrow><mi>к</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>F</mi><mi>S</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>F</mi><mrow><mi>S</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>Ф</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
S
S(Ф)
- задаваемый (принимаемый) при расчете и проектировании стендовой установки коэффициент отношения площади F поперечного сечения смесительной камеры установки к площади F поперечного сечения отверстия форсунки подвода сжатого воздуха.
Расчетные соотношения (2)…(4) и (6) получены на основе совместного решения уравнений неразрывности потоков в воздухозаборнике двигателя и в смесительной камере стендовой установки. Зависимость (5) получена из условия охвата всей очищаемой площади лопаток впрыскиваемой в воздушный поток жидкостью.
Изобретение поясняется чертежом - фиг.1, где представлена принципиальная конструктивная и пневмогидравлическая схема малоразмерной стендовой установки, с помощью которой реализуется способ.
Установка включает смесительную камеру 1, на торце которой закреплена кассета образцов - лопаток 2, другой торец смесительной камеры образует форсунку 3. Пневмосистема состоит из форсунки 3 и измерительно-регулировочной аппаратуры, содержащей кран регулировочный 4, фильтр 5, влагомаслоотделитель 6 и кран перекрывной 7, датчик давления 16. На стенке камеры закреплены форсунки 8. Гидросистема установки состоит из насоса 9, бака 10 с жидкостью, электронагревателя 11, фильтров 12, редукционного клапана 13 и двухпозиционного крана 14; контроль давления жидкости перед форсунками осуществляется датчиком давления 15. Установка снабжена датчиками 17 и 18, а также вентилятором 19.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. На торец смесительной камеры 1 закрепляют кассету образцов-лопаток 2; с другого ее торца подводится сжатый воздух через пневмосистему. Для обеспечения требуемой скорости воздушного потока в смесительной камере 1 стендовой установки, воздух в нее подают под перепадом давления, определяемым из соотношения (2), через форсунку 3 с диаметром проходного сечения, рассчитываемым по формуле (4).
Через форсунки 8 осуществляют подвод жидкости-очистителя в камеру 1 под перепадом давления, определяемым по зависимости (3), при этом диаметр форсунки рассчитывают по формуле (6), с учетом зависимости (1), а количество форсунок 8 определяют по соотношению (5).
В зависимости от расхода воздуха, имитирующего любой из возможных режимов работы двигателя, например холодные прокрутки, режим «малый газ», номинальный режим и др., изменение подачи жидкости-очистителя осуществляется через гидросистему установки. Контроль давления в смесительной камере на входе и перед лопатками осуществляют датчиком давления 16. Для оценки влияния температуры жидкости-очистителя на продолжительность и степень очистки предусмотрен нагрев жидкости в баке 10 с помощью электронагревателя 11, при этом контроль температуры в баке производят датчиками 17, а воздуха и воздушно-жидкостного потока - датчиками 18. При работе стендовой установки воздушно-жидкостная среда с частицами пленки загрязнений в процессе очистки удаляется вентилятором 19.
Таким образом, предлагаемый способ определения рациональных параметров режимов влажной очистки проточного тракта газотурбинных двигателей - давление подачи (или перепад давления) жидкости-очистителя, время (продолжительность) проведения очистки, эффективность применяемых для очистки жидкостей и их расход - при выполнении указанной операции на малоразмерной стендовой установке устраняет проблему получения данных по очистке путем проведения дорогостоящих опытно-промышленных испытаний натурных двигателей, что в конечном счете принесет помимо технического, существенный экономический эффект.