Основные закономерности повреждения лопаток компрессоров авиационных ГТД посторонними предметами

2008

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Эксплуатация воздушного транспорта

№ 134

УДК 629.735.03

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПОВРЕЖДЕНИЯ ЛОПАТОК КОМПРЕССОРОВ АВИАЦИОННЫХ ГТД ПОСТОРОННИМИ ПРЕДМЕТАМИ

А.А. КОМОВ, Г.Г. БЕЛОУСОВ

Представлена методология оценки повреждаемости ПЧ АД посторонними предметами и приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований по данной проблеме.

Вихревое течение, возникающее между воздухозаборником и поверхностью аэродрома, является одной из причин, приводящих к забросу посторонних предметов (1111) с поверхности аэродрома на вход в двигатель. Твердые посторонние предметы, заброшенные вихрем, могут повредить детали газовоздушного тракта двигателя.

Для успешного и эффективного решения проблемы защиты газотурбинного двигателя от повреждения посторонними предметами необходимо исходить из комплексного подхода к ее решению. Это предусматривает наличие данных, таких как:

- параметры посторонних предметов, способных попасть в двигатель и нанести ему недопустимые повреждения;

- причины и пути попадания посторонних предметов в двигатель;

- степень повреждаемости лопаток компрессора ГТД;

- закономерности и особенности движения 1111 вне и в проточной части силовой установки двигателя.

Важно отметить, что наибольшего эффекта можно ожидать при использовании данного подхода на стадии эскизного проектирования ГТД и воздушного судна (ВС) и при создании комплекса защитных мероприятий.

Исследования показали [1], что после подготовки аэродромов к полетам с помощью средств наземного обслуживания на ВПП остаются ПП в количестве от 25 до 435 штук общей массой от 78 до 946г.

Из всех обнаруженных ПП - 69% являются "опасными" с точки зрения повреждения лопаток ГТД. Это те частицы, минимальная масса которых превышает 0,2 г для гранита и металлических предметов и более 2 г для бетонных крошек, битума и прочих ПП.

Из всех обнаруженных при осмотре аэродромов ПП, "опасные" частицы по каждому типу

составляют следующие величины:

- камни - 98 %

- бетонная крошка - 63 %

- битум - 53 %

- прочие ПП - 56 %

Математические ожидания относительной массы по типам ПП для исследованных аэродромов распределяются следующим образом:

- камни - 40 %

- битум - 34 %

- бетон - 20 %

- прочие ПП - 6 %

Концентрация "опасных" для газотурбинных двигателей ПП составляет в среднем 2*10 3 частицы на один квадратный метр или около 80 "опасных" посторонних предметов на взлетном участке ВПП длиной порядка 500 метров.

Посторонние предметы с поверхности ВПП попадают в авиадвигатели по различным причинам, основными из которых являются:

• заброс колесами шасси при рулении, пробеге и разбеге самолета;

• заброс реверсивными струями;

• заброс вихревыми течениями при работе двигателей.

Рассмотрим подробнее заброс посторонних предметов вихревыми течениями и определим параметры посторонних предметов, забрасываемых на вход в двигатель ПС-90А в компоновке самолета Ил-96-300.

В настоящее время существует несколько программ расчета параметров воздушного потока, втекающего в двигатель.

Для определения параметров движения посторонних предметов в поле скоростей воздушного потока в районе входа в воздухозаборник была использована программа расчета, основанная на методе дискретных вихрей [2].

Программа расчета предназначена для проведения параметрических исследований течения воздушного потока вблизи воздухозаборника и процесса засасывания посторонних предметов в проточную часть двухконтурного двигателя в зависимости от различных конструктивнокомпоновочных факторов и внешних условий. Задача расчета течения воздушного потока вблизи воздухозаборника решается методом дискретных вихрей. Движение воздушной массы, обусловленное работой двигателя, имитируется системой пространственных стоков с суммарной производительностью Gв (кг/с), зависящей от режима работы двигателя. При решении расчетной задачи основная система координат связана с мотогондолой, при этом ось Х направлена вдоль оси симметрии ГТД по потоку, ось У - вверх, ось Z - влево при взгляде по потоку (левая система координат).

Программа позволяет учесть влияние следующих факторов:

- высота расположения двигателя над поверхностью аэродрома (расстояние между осью Х и поверхностью аэродрома);

- форма мотогондолы;

- наличие и форма кока двигателя и разделительного контура;

- скорость руления самолета;

- скорость ветра;

- направление ветра.

На рис. 1 приведена расчетная схема воздухозаборника и двигателя ПС-90А до входа во внутренний контур.

-1.326

-.050 .580 1.210 1.840 2.470 3.100

Рис. 1. Схемы воздухозаборника и компрессора двигателя ПС-90 А до входа во внутренний контур

На рис. 2 приведена эпюра горизонтальных скоростей воздушного потока в приземном слое, откуда видно, что точка торможения расположена на поверхности аэродрома на некотором расстоянии перед воздухозаборником двигателя. Из рис. 2 видно, что эпюра горизонтальных скоростей имеет два максимума:

- один перед воздухозаборником;

- второй под воздухозаборником.

Максимальное значение горизонтальной скорости воздушного потока в приземном слое при работе внутреннего двигателя ПС-90А на взлетном режиме равно V, „ = 9.637м / с.

Из результатов расчетов видно, что значение горизонтальной скорости воздушного потока в приземном слое Уг тах значительно превосходит граничное значение для возможности зарождения и существование вихря на самолете Ил-96-300, равное Уг тах = 1.5 м / с.

Рис. 2. Эпюра скоростей воздушного потока в приземном слое при работе двигателя ПС-90А на максимальном режиме работы

На рис. 3 представлено поле скоростей воздушного потока вблизи воздухозаборника двигателя ПС-90А, из которого видно, что вблизи поверхности аэродрома присутствуют только горизонтальные составляющие воздушного потока, которые направлены с двух сторон к точке торможения.

-ч ^ -Ч N ч. ^Г'чГ \ \ \ \ \ \ J 1 \ \ \ \ 1 , %чч\\\\\\\\\\\( 'Ч х ч \ \ , \ \\ \ \ ^ ^ ^ ( / / / ^ ^ ^ ^ •*"' - — — ' / ^ у у ^ ’ ^ у'

, . ~ ~2Г<. >

Рис. 3. Поле скоростей воздушного потока у воздухозаборника двигателя ПС-90А

На наличие точки торможения на поверхности земли указывает характер эпюры горизонтальной составляющей приземного слоя воздуха, при котором изменение вектора движения горизонтальной составляющей происходит через нулевое значение. В точке торможения воздушный поток двух направлений встречается и разворачивается вверх, в сторону воздухозаборника. Из рисунка видно, что точка торможения находится на поверхности аэродрома несколько впереди входных кромок воздухозаборника.

В реальных условиях работы двигателя существование вихря возможно в некоторой зоне под воздухозаборником, называемой зоной существования вихря, и при определенной длительности его существования. Чем ближе к эпицентру зоны существования вихря, тем более вероятно появление вихря. Ввиду малой длительности существования вихря (вихри с длительностью существования = 0,5... 1,5 секунды составляют 80% всех вихревых шнуров [3]), в первом приближении, можно считать, что подброс посторонних предметов вихревым течением происходит именно из эпицентра зоны существования вихря. Моделирование самого вихревого шнура до настоящего времени является достаточно сложной задачей, поэтому процесс взаимодействия вихревого шнура и посторонних предметов, и дальнейший расчет заброса посторонних предметов на вход в воздухозаборник двигателя представлялся следующим образом. Подброс посторонних предметов происходит из эпицентра зоны существования вихря, и дальнейшее движение посторонних предметов происходит в воздушном потоке, индуцируемой силовой установкой.

Место замыкания вихря на опорную поверхность, то есть место воздействия вихря на посторонние предметы, находящиеся на опорной поверхности, определяется программой расчета. Начальные параметры подброса посторонних предметов вихревым течением такие, как высота подброса, определялись из работы [3], в которой была экспериментально определена высота подброса вихревым шнуром частиц гравия в зависимости от режима работы двигателя ПК-86 на самолете Ил-86.

Посторонние предметы подбрасываются вихрем в самых различных направлениях. Поэтому в расчетных исследованиях защищенности двигателей углы начального движения посторонних предметов относительно поверхности аэродрома задавались в достаточно широком спектре - от а =1 до а =180°.

В расчетах задавались следующие параметры посторонних предметов и параметры начального их движения:

- диаметр посторонних предметов — 0,020м;

- коэффициент несферичности постороннего предмета - 1,5. Коэффициент несферичности постороннего предмета равен отношению площади поверхности постороннего предмета к площади поверхности равновеликого по объему шара, диаметр которого принимается за характерный размер постороннего предмета [1]. Коэффициент несферичности для шара равен 1 и для тетраэдра — 1,5;

- плотность постороннего предмета — 2500 кг/м3;

- начальная высота подброса постороннего предмета — Нподбр;

- начальный угол выброса постороннего предмета — 1°;

- шаг угла выброса постороннего предмета — 1°;

- диапазон углов выброса посторонних предметов — 1° - 180°.

Результаты расчетов траекторий движения посторонних предметов, подброшенных вихревым течением и попавших в поле воздушного потока, втекающего в двигатель, представлено на рис. 4. Для графической наглядности результатов расчетов количество посторонних предметов, подброшенных вихревым течением, было ограничено и составляло 15 штук.

Из рис. 4 видно, что не все посторонние предметы, подброшенные вихрем, попадают в воздухозаборник. Некоторые посторонние предметы после их подброса в воздушный поток, втекающий в двигатель, в воздухозаборник не попадают и падают обратно на поверхность аэро-

дрома. Другие же посторонние предметы захватываются воздушным потоком и попадают в воздухозаборник. Практически все посторонние предметы, захваченные воздушным потоком, пролетают входное сечение воздухозаборника в некотором пучке, центр которого находится несколько ниже оси воздухозаборника. Степень концентрации посторонних предметов в пучке повышается при уменьшении диаметра посторонних предметов.

Рис. 4. Траектория движения посторонних предметов, подброшенных вихревым течением

При соударении с коком происходит изменение траекторий движения посторонних предметов. Основная часть посторонних предметов попадает во внешний контур двигателя, и лишь некоторая часть посторонних предметов может попасть во внутренний контур двигателя.

Оценим значение скоростей соударения посторонних предметов с лопатками вентилятора. В качестве расчетных случаев возьмем работу двигателя на взлетном режиме (рис. 5) и случай руления самолета, когда двигатели работают на режиме «малый газ» (рис. 6).

Рис. 5. Траектории посторонних предметов, забрасываемых вихревым течением в двигатель ПС-90А на взлётном режиме

Расчеты показывают, что при работе двигателя на взлетном режиме скорость движения посторонних предметов внутри канала воздухозаборника составляет величину порядка 20... 65 м/с. Окружная скорость периферийной части рабочих лопаток вентилятора на взлетном режиме двигателя равна величине порядка 400 м/с.

Рис. 6. Траектории посторонних предметов, забрасываемых вихревым течением в двигатель ПС-90А на режиме «малый газ»

Из треугольника скоростей можно определить углы соударения посторонних предметов с лопатками вентилятора и вероятные зоны их повреждения (рис. 7). Угол соударения посторонних предметов с плоскостью вращения рабочих лопаток вентилятора на взлетном режиме двигателя составляет величину порядка 3...9. Протяженность зоны повреждения по длине хорды лопаток составляет 5...15%.

Рис. 7. Расчет зоны вероятного повреждения вентилятора посторонними предметами, забрасываемыми в двигатель ПС-90А вихревым течением

При работе двигателя на режиме «малый газ» скорость движения посторонних предметов внутри канала воздухозаборника составляет величину порядка 6...12 м/с. Окружная скорость периферийной части рабочих лопаток вентилятора на взлетном режиме двигателя равна величине порядка 140 м/с.

Угол соударения посторонних предметов с плоскостью рабочих лопаток вентилятора составляет величину порядка 2,5...5°. Протяженность зоны повреждения по длине хорды лопаток составляет 4...9%.

Таким образом, посторонние предметы, забрасываемые в двигатель ПС-90А вихревым течением, могут вызывать повреждения рабочих лопаток вентилятора в районе входной кромки и корытца лопаток, длина зоны повреждения может достигать до 15 % хорды лопаток. Наибольшие повреждения лопатки вентилятора (по величине повреждения и размерам зоны повреждения) могут получать от посторонних предметов, забрасываемых вихревым течением при работе двигателя на взлетном режиме.

Ниже приведен анализ статистических данных о повреждаемости лопаток вентилятора и КВД двигателей ПС-90А в условиях эксплуатации. Так, в Шереметьево за период с 1993 по 2001 гг. было снято с эксплуатации по различным причинам 223 двигателя. Из них ДСД по компрессору составил ~ 24%. Наиболее уязвимыми к повреждаемости являются лопатки вентилятора. При этом больше других повреждается второй двигатель (рис. 8). Рис. 9 характеризует повреждаемость рабочих лопаток по ступеням компрессора двигателя ПС-90А.

Распределение повреждаемости двигателя ПС - 90 А по номеру силовой установки на самолете ИЛ 96 - 300

60----------,--------------------- — -------------------------------- ----------- ---------------- ------ и........

Первый двигатель Второй двигатель Третий двигатель Четвертый двигатель

№ силовой установки

Рис. 8. Распределение повреждаемости двигателей ПС-90А по номеру силовой установки на самолетах Ил-96-300. На самолетах Ту-204 также чаще повреждается второй двигатель

Видно, что наибольшее количество повреждений приходится на вентилятор, далее следуют лопатки первой ступени КВД. Вероятность повреждения последующих лопаток КВД существенно ниже. При этом наиболее характерны для 1 ступени КВД отгибы уголков пера (до 50 мм по кромке от торца), вмятины. Для 2-13 ступеней - забоины, вмятины, мелкие отгибы уголков пера (до 3-5 мм). Как правило, повреждения наблюдаются в верхней трети пера лопаток на входных кромках. На выходных кромках повреждения сравнительно редки.

Рис. 9. Распределение повреждаемости рабочих лопаток по ступеням компрессора двигателя ПС-90А

Повреждаемость двигателя по времени года характеризует рис. 10.

январь февраль март апрель май июнь июль август сентябрь октябрь ноябрь декабрь

Рис. 10. Повреждаемость двигателя ПС-90А самолета Ил-96-300 в зависимости от времени года

Распределение повреждений по длине лопаток вентилятора и лопаток КВД 1 ступени даны на рис. 11, 12. Также зависимости характерны для лопаток всех типов и не выпадают из общих закономерностей.

> повреждаемости

Рис. 11. Распределение повреждений по длине лопатки вентилятора двигателя ПС-90А

20 30

% повреждаемости

Рис. 12. Распределение повреждений по длине лопатки 1 ступени КВД двигателя ПС-90А

В 2001 году в ОАО «Авиадвигатель», ОАО «ПМЗ», «НТЦ«ТехноАвиа» были начаты работы по разработке инструмента для устранения эксплуатационных повреждений на лопатках КВД двигателей ПС-90А. По мере накопления опыта постепенно апробировались и внедрились расширенные нормы на допустимые повреждения рабочих лопаток, практически в полной мере отвечающие требованиям эксплуатации (бюллетень № 944399-БД-Г). Разработаны программы обучения для специалистов авиапредприятий. Эти мероприятия разработчика двигателей позволили в последние годы минимизировать ДСД ПС-90А, имеющих повреждения лопаток компрессора.

ЛИТЕРАТУРА

1. Евдокимов А.И., Новицкий С.М., Попов В. А. Характеристики посторонних предметов, появляющихся на аэродромных покрытиях в процессе эксплуатации // Конструкция и системы управления ГТД: Сборник научнометодических материалов. — М.: ВВИА им. Проф. Н.Е. Жуковского, 1995.

2. Плужников В.И., Семон Б.И., Горохова Т.Г. Математическое моделирование течения воздушного потока, индуцируемого воздухозаборником, при наличии срыва с его острых кромок: Сборник научных трудов. - М.: Гос-НИИ ГА, 1991.

3. Кизим В.Я., Граф В. А., Комов А. А., Голубев С. А. Исследование эффективности струйной системы защиты самолета Ил-86 от попадания посторонних предметов в воздухозаборники двигателей с ВПП: Научнотехнический отчет / ЛИИ. - № 665-80-111. -М., 1980.

4. Бюллетень № 944399-БД-Г. Изделие: Двигатель ПС-90. По вопросу: Силовая установка зачистка повреждений на рабочих лопатках компрессора в условиях эксплуатации. ОАО «Авиадвигатель», ОАО «ПМЗ», 2006.

5. Инструкция 94-01-805И111. Двигатель ПС-90А. Компрессор высокого давления (КВД). Допустимые величины и зачисток на рабочих лопатках. ОАО «Авиадвигатель», ОАО «ПМЗ», 2002.

BASIC LAWS OF THE COMPRESSOR BLADES DAMAGE OF AVIATION TURBINE ENGINE

FROM OUTSIDE MATTER

Komov A.A., Belousov G.G

The reasons of inefficient protection of engines from hard outsider objects from a runway’s surface were considered.

Сведения об авторе

Комов Алексей Алексеевич, 1950 г.р., окончил МАИ им. С. Орджоникидзе (1976), доктор технических наук, главный научный сотрудник Центра исследований авиадвигателей и силовых установок ВС ГосНИИ ГА, автор более 60 научных работ, область научных интересов - защита авиационных двигателей от посторонних предметов.

Белоусов Григорий Геннадьевич, 1947 г.р., окончил МАТИ (1975), кандидат технических наук, доцент кафедры двигателей летательных аппаратов МГТУ ГА, автор более 70 научных работ, область научных интересов - сопротивление усталости лопаток компрессоров с повреждениями, оптиковизуальные методы контроля проточной части и ремонт авиадвигателей в условиях эксплуатации.