Оценка влияния повреждений рабочих и направляющих лопаток компрессора на эффективность функционирования авиадвигателей

2005 НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА № 85

серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов

УДК 621.43.018

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ РАБОЧИХ И НАПРАВЛЯЮЩИХ ЛОПАТОК КОМПРЕССОРА НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АВИАДВИГАТЕЛЕЙ

В.Т. ШУЛЕКИН, Е.А. ЛАЗАРЕВ Статья представлена доктором технических наук, профессором Пивоваровым В.А.

В работе представлены результаты расчётного исследования влияния различных повреждений рабочих и направляющих лопаток осевого компрессора на основные показатели технико-экономической эффективности современных газотурбинных двигателей.

На основании анализа полученных результатов исследования разработаны рекомендации по снижению отрицательного влияния повреждений лопаток проточной части на эффективность функционирования ГТ Д.

Практика эксплуатации современных ГТД гражданской авиации констатирует массовое появление различных повреждений (забоин, задиров, вмятин и др.) рабочих и направляющих лопаток компрессоров. Это явление объясняют внешними и внутренними факторами, действующими отрицательно на проточную часть турбомашины.

К внешним факторам относят попадание на вход в двигатель посторонних предметов (птиц, камней, льда и др.), взаимодействие которых с лопатками компрессора вызывает названные повреждения.

К внутренним факторам относят снижение предела усталости материала вследствие возникновения концентраторов напряжений в рабочих и направляющих лопатках компрессоров.

На рис. 1 показано появление трещины на рабочих лопатках компрессора, связанное с высокочастотными колебаниями по высшим формам [1]. Дефект проявляется в виде обрыва

Трещина ,

Рис. 1. Лопатка с трещиной от высокочастотных колебаний

уголка пера рабочей лопатки. Излом усталостный, с началом у торца пера в зоне выработки при касании торца пера о специальный слой. По мере развития трещина меняет направление от радиального на поперечное.

Устранить подобный дефект пытаются различными способами:

полированием торца лопаток с исключением касания их о защитный слой статора;

срезанием уголков лопаток (по наружному торцу и по кромкам);

утолщением кромок периферийных сечений;

упрочнением поверхности;

введением разношаговых направляющих аппаратов.

Последний способ может быть весьма эффективным. Благодаря введению разношагового расположения лопаток высокочастотные колебания рабочих лопаток можно снизить в 2.. .3 раза [1].

На рис.2 показано распределение изгибных напряжений уиз по высоте рабочей лопатки ГТД с забоиной А [2]. Видно, что в районе забоины изгибные напряжения резко возрастают и тем самым усиливается процесс повреждаемости материала (снижается предел усталости).

А

/ Г ^из п

Рис.2. Распределение изгибных напряжений на пере лопатки ГТД с забоиной А

На рис.3 показано появление забоин на рабочих и направляющих лопатках компрессора. Наибольшее их количество наблюдается в верхней части рабочих лопаток (30.. .35 % высоты), а в направляющих лопатках примерно 40.45 % высоты лопаток.

3 4

2

1

Рис.3. Рабочая и направляющая лопатки ступени компрессора с повреждениями:

1 - рабочая лопатка; 2 - болт крепления рабочего полукольца к корпусу;

3 - болт крепления лопатки направляющего аппарата к корпусу компрессора; 4 - лопатка направляющая; 5 - трактовое кольцо ротора; 6 - диск рабочего колеса; 7 - забоина на входной кромке рабочей лопатки; 8 - забоина на входной кромке направляющей лопатки; 9 - отрыв уголка выходной кромки рабочей лопатки

Появление повреждений рабочих и направляющих лопаток компрессоров обычно отмечается при эксплуатации ГТД контрольно-записывающей аппаратурой повышением вибрации конструкции двигателя, возрастанием температуры газа за турбиной Т т , расхода топлива Gт и др. Двигатель подвергается внеочередному диагностированию проточной части турбомашины (эндоскопами) в земных условиях и, в случае обнаружения небольших забоин на лопатках производится текущий их ремонт с помощью специального инструмента. После этого двигатель подлежит проверке его основных параметров рабочего процесса и, если последние удовлетворяют требованиям нормативно-технологической документации, двигатель допускается к дальнейшей эксплуатации.

Однако появление повреждений лопаток компрессоров влияет на его техникоэкономические показатели. Забоины, задиры, риски и др. приводят к ухудшению коэффициента полезного действия (КПД) компрессора ), снижают его напорность (ж*к) и запас устойчивой работы АКу.

Для того, чтобы оценить влияние забоин рабочих и направляющих лопаток компрессора на его параметры, рассмотрим картину обтекания воздухом рабочих и направляющих лопаток.

На рис.4. показана решетка профилей, представляющая собой развертку сечения лопаток рабочего колеса цилиндрической плоскостью радиусом г.

Выделим в потоке, обтекающем любой из профилей решетки, объём, ограниченный контрольной поверхностью, составленной из двух поверхностей тока 1-2 и 1-2, отстоящих друг от друга точно на величину шага I , и двух плоскостей 1-1 и 2-2, параллельных фронту решетки и расположенных на таком расстоянии от неё, чтобы можно было пренебречь неравномерностью потока. В направлении, перпендикулярном чертежу, выделенный объём ограничим цилиндрическими плоскостями, расстояние между которыми равно Аг.

рі *

Р Р Ра Ц1 МЩЩУ

2

р2 *

Рис. 4. Картина обтекания рабочих профилей лопаток осевого компрессора

в исходном состоянии

Каждый профиль рабочей решетки действует на поток воздуха силой Р, равной аэродинамической силе Р. Осевая составляющая Ра силы Рявляется источником продвижения потока в осевом направлении, а окружная составляющая Ри этой силы представляет после умножения её на г крутящий момент Мкр на данном радиусе.

Обе составляющие силы Р определяются по теореме Эйлера по формулам:

Ра= (Р2 - + дт(с2а - С1а X

Ри = т(™1и- ^2и ) = дт^и

где р1,р2 - давления, действующие на контрольную поверхность на входе и выходе из решетки; дт = с1ас^Аг - масса воздуха, проходящего через контрольную поверхность в одну секунду; w1u, w2u - проекции относительных скоростей на входе в решетку w1 и на выходе из решетки w2 на окружное направление; с1а, с2а - проекции тех же скоростей на осевое направление; Awu - закрутка потока в рабочем колесе. Умноженная на окружную скорость и на данном радиусе она даёт возможность определить окружную работу Ьщ = Awu и , подводимую к воздуху на данном радиусе и создающую необходимую напорность ступени ж*ст, так как

к-1

Ьст » Ь = СрТЦ Р - 1)/С

Здесь г)*ст - КПД ступени; ср- средняя теплоемкость воздуха при постоянном давлении; Т* -температура торможения на входе в ступень.

На основании рассмотренной расчётной картины обтекания рабочей решётки составим план скоростей для выбранной элементарной ступени компрессора (рис.5).

В случае появления забоины на входной кромке лопатки её обтекание нарушается (даже при нормальной обработке этой кромки специальным инструментом). Угол натекания потока воздуха на эту лопатку Д возрастает по сравнению с расчётным значением Д , то есть появляется положительный угол атаки грк = Д р -Д. В результате появляется «срыв» потока на

спинке лопатки с забоиной, который уменьшает «живое» сечение канала на выходе из решетки. Соответственно, расход воздуха через данное сечение уменьшается и образовавшийся на входе в решетку «излишек» расхода воздуха начинает растекаться по фронту решетки. При этом в соседних каналах справа от дефектной лопатки углы атаки возрастают, а слева - уменьшаются. Возникает «вращающийся срыв», который приводит к ухудшению КПД ступени и снижению его напорности. Из рис.5 видно, что закрутка колеса при дефектной лопатке снижается ( Awu < Awup ) и при той же окружной скорости вращения уменьшается окружная работа Ьи .

Рис.5. Планы скоростей ступени осевого компрессора в исходном положении и при наличии забоины на входной кромке рабочей лопатки

Рассмотрим теперь обтекание рабочей лопатки при забоине на выходной кромке (см. рис.3). На рис.6 показан план скоростей для выбранной элементарной ступени с дефектом выходной кромки лопатки.

Рис. 6. Планы скоростей ступени осевого компрессора в исходном положении и при наличии забоины на выходной кромке рабочей лопатки

В данном случае появление дефекта выходной кромки приводит к уменьшению относительной скорости на выходе из решетки w2 из-за возрастания «живого» сечения канала. Угол выхода потока из решетки Д2 возрастает, что приводит к незначительному изменению закрутки потока Awu. Однако при этом всасывающая способность канала снижается, так как уменьшается осевая составляющая сила Ра и, соответственно, растет давление на входе в решетку р1.

То есть и при дефектной лопатке с забоиной на выходной кромке напорность элементарной ступени уменьшается.

Для количественной оценки влияния названных повреждений рабочих лопаток при исследовании определялось относительное снижение напорности ступени и всего компрессора в целом на основе геометрических размеров рабочей лопатки конкретного ГТД. С этой целью в начале производился поверочный расчет компрессора по среднему диаметру, затем были рассчитаны параметры потока по высоте лопатки для ступени. Далее производился расчёт снижения окружной работы в дефектной ступени и определялась общая степень повышения давления и КПД для всего компрессора с учетом дефектной ступени.

При исследовании выполнялись вариантные газодинамические расчеты двигателей с целью определения удельной тяги и удельного расхода топлива с учётом изменения рк, зк.

В качестве объекта исследования был выбран двухконтурный турбореактивный двигатель ПС-90 А с дефектной лопаткой компрессора высокого давления (забоины 2.3 мм на входной кромке на периферии лопатки). Снижение КПД компрессора с учетом дефектной лопатки было равно 2.19 %, уменьшение тяги двигателя составило 0.77 %, а снижение экономичности 0.76 %..

На основании анализа полученных результатов при исследовании были сделаны следующие выводы:

1. Наиболее опасными являются забоины на входной кромке лопаток компрессоров, так как их появление снижает усталостную прочность материала и приводит к снижению тяги двигателя и ухудшению его экономичности.

2. При обработке забоин лопаток необходимо учитывать изменение толщины входной кромки по высоте лопатки. Это позволяет уменьшить влияние дефектных лопаток на техникоэкономические показатели двигателя.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кузнецов Н.Д., Цейтлин В.И., Волков В.И. Технологические методы повышения надежности деталей машин. - М.: Машиностроение, 1999.

2. Пивоваров В.А. Повреждаемость и диагностирование авиационных конструкций. Учебник для вузов. - М.: Транспорт, 1994.

3. Казанджан П.К., Тихонов Н.Д. Теория авиационных двигателей. Теория лопаточных машин. Учебник для студентов вузов по специальности «Техническая эксплуатация летательных аппаратов и двигателей». - 2- е изд., перераб. и доп. - М.:Машиностроение,1995.

THE ASSESSMENT OF WORKING AND DIRECTING BLADES DAMAGES INFLUENCE ON TURBO-JET ENGINE OPERATION EFFECTIVENESS

Shulekin V.T., Lazarevт E.A.

The results of settlement research of influence the axial compressor working and directing blades various damages on the basic parameters of technical and economic efficiency modern turbo-jet engines are submitted in the work.

The recommendations of negative influence of damages blades decrease (reduction) at operation turbo-jet engine are developed on the basis of the analysis of the received results of research.

Сведения об авторах

Шулекин Виктор Тимофеевич, 1938г.р., окончил МАМИ (1967), кандидат технических наук, доцент кафедры двигателей летательных аппаратов МГТУ ГА, автор более 60 научных работ, область научных интересов - рабочий процесс и эксплуатационные характеристики авиационных двигателей; вспомогательные силовые установки воздушных судов гражданской авиации.

Лазарев Евгений Александрович, 1981г.р., студент 5 курса МГТУ ГА, область научных интересов - влияние различных факторов на рабочий процесс и эксплуатационные характеристики авиационных ГТД.