Газотурбинные двигатели являются основным типом двигателей в гражданской и военной авиации, используются как маршевые и форсажные энергоустановки в судостроении, энергетике, газовой промышленности. Важнейшее требование к двигателям — высокая эксплуатационная надёжность. [56].
Диссертация посвящена описанию картины предельного эрозионного износа деталей проточной части компрессора и явлениям, происходящим в процессе эксплуатации газотурбинного двигателя в сильно запыленной атмосфере. Оценка текущего технического состояния авиационного ГТД в процессе эксплуатации и его предельных возможностей соответствует современным требованиям, предъявляемым к газотурбинным двигателям с целью повышения ресурса и поддержания высокого уровня эксплуатационной надёжности.
Прогнозирование текущих и критических (предотказных) состояний газотурбинных двигателей при эксплуатации в условиях запылённой атмосферы, позволяет своевременно проводить мероприятия по техническому обслуживанию двигателя и системы очистки воздуха на входе. Понимание процессов газоабразивной эрозии элементов проточной части даёт возможность разрабатывать адекватные и достаточные методы и способы защиты деталей двигателя от эрозии (эрозионностойкие покрытия, пылезащитные устройства и Т.д.).
Актуальность темы
диссертационной работы обусловлена потребностью существенного, на порядки, увеличения ресурса конвертированных энергетических установок, включая наиболее полное использование потенциальных возможностей базовых авиационных двигателей. С другой стороны, в процессе реконверсии могут быть использованы решения, полученные на конвертированных двигателях путем исследований на них недопустимых и недоступных в авиации режимов и условий. Для малоразмерных ГТД вертолетного и танкового применения остро стоит вопрос пылевой эрозии, поэтому, например, выполняется разработка программы специальных стендовых пылевых испытаний вертолётных двигателей ФГУП «ЦИАМ имени П.И. Баранова».
Цель работы.
Описание и анализ фактической картины, оценка предельного эрозионного износа лопаток компрессора, характеризующегося такими показателями как:
— геометрические размеры;
— термо-газодинамические параметры;
— параметры динамического нагружения (собственные частоты колебаний и деформации).
Исходя из цели работы, для её реализации решались следующие задачи:
1. Исследование динамики изменения параметров рабочего процесса газотурбинного двигателя в процессе интенсивного эрозионного износа элементов проточной части с целью обеспечения контроля его состояния вплоть до критического. Обоснование качественных и количественных критериев допустимого снижения газодинамических характеристик изношенного компрессора при эксплуатации в условиях запылённой атмосферы.
2. Определение геометрических параметров проточной части компрессора, подвергшегося предельному эрозионному износу.
3. Исследование влияния различных факторов на эрозионный износ лопаток компрессора для разработки методики теоретического и экспериментального исследования с целью решения задач повышения их эрозионной стойкости. Экспериментальное исследование эрозионной стойкости лопаток компрессора.
Объект исследования.
Генератор сжатого воздуха ГСВ-95 предназначенный для эксплуатации в составе передвижной компрессорной установки ПКУ-30/0,8, используемой для продувки, очистки и осушки магистральных газо-нефтепроводов, а также для вытеснения воды из магистральных трубопроводов после гидроиспытаний. Генератор сжатого воздуха разработан на базе конвертированного серийного двухвального двигатель из семейства авиационных двигателей типа Р13−300.
Методы исследования и аппаратура.
Полученные автором результаты основываются на расчётно-экспериментальных методах. Исследование проводилось на базе:
— реальных данных эксплуатации конкретного ГТД в условиях, характеризующихся высокой степенью запылённости атмосферного воздуха;
— результатов приёмо — сдаточных испытаний;
— результатов разборки и дефектации двигателя после выработки ресурса;
— оптикоэлектронных измерений геометрии лопаток компрессоратрёхмерного моделирования конструкции многоступенчатого компрессора;
— термогазодинамического моделирования рабочего процесса двигателя;
— моделирования течения двухфазных сред;
— экспериментального исследования эрозионно-стойких покрытий лопаток компрессора.
В процессе исследования также использованы результаты испытаний вертолетных и танковых ГТД, теория воздушно-реактивных двигателей, методы испытаний двигателей, а также технические условия, программы испытаний и исследований авиационных газотурбинных двигателей.
Научная новизна.
1. Для ГТД наземного применения впервые выявлены количественные закономерности распределения величин предельного эрозионного износа компрессора на основе сравнительного анализа созданных 3-х мерных твердотельных моделей новых и изношенных лопаток. Полученные результаты являются основой для создания уточненных моделей эрозионного износа лопаток.
2. Выявлены закономерности изменения параметров газотурбинного двигателя в процессе работы в запыленной атмосфере, приведшие его к помпажу. Определены критерии предельно допустимого состояния ГТД в эксплуатации.
3. Разработана методология исследования закономерностей изменения концентрации пылевых частиц двухфазной среды, что позволяет воспроизвести реальные условия эксплуатации и формировать модели эрозионного износа лопаток компрессора.
4. Обоснована методика и проведены экспериментальные исследования эрозионного износа лопаток компрессора с учётом реальных эксплуатационных факторов.
Основные результаты исследования, выносимые на защиту.
1. Выявленные количественные закономерности распределения величин эрозионного износа рабочих лопаток компрессора на основе сопоставления созданных 3-х мерных твердотельных моделей новых и изношенных лопаток Полученные данные служат основой создания моделей эрозионного износа лопаток турбомашин.
2. Выявленные закономерности изменения параметров ГТД при работе в запыленной атмосфере, приведшей к помпажу, позволяющие уточнить критерии оценки их технического состояния.
3. Разработанные методы анализа и закономерности изменения концентрации пылевых частиц для 2-х фазных сред (воздух-пыль), позволившие воспроизвести реальные условия эксплуатации.
4. Результаты исследования эрозионного износа лопаток компрессора из титановых и стальных сплавов с использованием реальных эксплуатационных условий и полученных методических подходов.
5. Результаты исследования по изменению в процессе эрозии частот собственных колебаний лопаток, как критерия по оценке технического состояния двигателя в эксплуатации.
Обоснованность и достоверность результатов исследования.
Достоверность результатов работы обеспечивается:
— верификацией результатов выполненных анализов на основе данных испытаний установки;
— использованием современных гибких программных комплексов и созданием на их основе математических моделей рабочих процессов двигателей, моделей течения двухфазных сред, прямого трёхмерного (НавьеСтокса) расчёта течения в компрессоре в исходном и изношенном состояниях;
— использованием современной высокоточной системы измерения профилей лопаток, привязанных к конструкторским базам.
Практическая значимость и реализация результатов работы Проведённые исследования позволили воспроизвести реальную картину явления — эрозионного износа элементов турбомашин, как научно-методической основы повышения надежности ГТД в реальных условиях эксплуатации.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях:
— «Интеллектуальные системы управления и обработки информации» Всероссийская Молодежная НТК. Уфа УГАТУ 2003;
— Всероссийской научно-технической конференции. — Пермь: ПГТУ, 2006;
— IV РНТК молодых специалистов, инженеров и техников, посвященной годовщине образования ОАО «УМПО», Уфа, УМПО, 2009 г.
— Результаты отдельных этапов и работы в целом обсуждались на НТС кафедры «Авиационные двигатели» УГАТУ.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 1 статья в издании из списка ВАК.
Основные выводы и результаты.
1 На конвертированном авиационном ГТД в условиях недоступных и недопустимых при эксплуатации на летательном аппарате, получен в состоянии предельного эрозионного износа режим, характеризующийся потерей газодинамической устойчивости на стационарном режиме. Газодинамическим признаком явления служит увеличение частоты вращения ротора высокого давления двухвального ГТД на -7%.
Путем моделирования режимов ГСВ с использованием ПК БУЮ выполнен анализ процесса изменения параметров при эрозионном износе компрессора. Установлены величины снижения КПД и производительности компрессора при которых потеря ГДУ становится реальной в обоих каскадах компрессора.
Для двигателя типа вертолетного ТВаД предельному состоянию сопутствует при сохранении Тг снижение мощности до 2 раз, а эффективного КПД на треть (с 28% до 18%). Для сравнения в нормативах СПИ допускается снижение мощности на 10% а ухудшение экономичности на 15%.
2 С использованием современных оптико-электронных средств измерения получены геометрические размеры лопаток компрессора двухвального ГТД достигшего предельного состояния. Размеры получены с привязкой к единой конструкторской технологической базе, что позволяет сравнивать все геометрические размеры новой и изношенной лопатки в любой точке профиля. С использованием ПК Компас созданы адекватные реальным твердотельные модели новых и изношенных эрозией лопаток компрессора. Трёхмерные твердотельные модели являются основой для создания расчётных областей 3-х мерных газодинамических моделей компрессора.
3 На основе универсальной математической модели течения двухфазного потока в упрощенной модели канала компрессора исследованы факторы, определяющие сепарацию пыли:
— по размерам частиц от 5 до 20 мкм;
— по форме пылевых частиц.
С использованием фундаментальных закономерностей эрозионного износа (влияние скорости, углов набегания частиц, влияния материалов, физико-химических свойств и концентрации пыли) разработаны методики экспериментальных исследований с целью решения задач повышения эрозионной стойкости.
Выполнены экспериментальные исследования эрозионной устойчивости лопаток компрессора с различными видами покрытий с использованием методических положений проведенной исследовательской работы.
Основным инструментом решения поставленных задач послужили созданные в системе А^УБ-СИХ газодинамические модели 5-и ступенчатого нового и изношенного компрессора высокого давления.
Созданы предпосылки для моделирования течения многофазных сред в реальном канале с целью расчета эрозионного износа в автоматизированном режиме (модель Табакова-Гранта в СБХ) или ручном режиме по другим изученным моделям с уточнением их констант.
