Введение
В последнее время, по понятным причинам все большее внимание уделяется защите авиационных двигателей от пыли, в т.ч. вулканической (а также – при взлете, во время дождя и при полете гидросамолетов и экранопланов у водной поверхности – от капель воды и частиц снега) Окружающий воздух всегда загрязнен частицами пыли в большей или меньшей степени в зависимости от местонахождения и времени года. Частицы пыли, попадая в проточную часть газотурбинного двигателя (ГТД), приводят к изменению геометрических размеров лопаточных венцов и радиальных зазоров лопаточных машин. Из экспериментальных данных и данных, имеющихся в технической литературе [1, 2, 4] наиболее изнашиваемым элементом двигателя является компрессор. Износ происходит по входной кромке и корытцу лопаток, причем рабочие лопатки изнашиваются в большей мере, чем лопатки направляющих аппаратов.
Несмотря на то, что изучением изменений геометрических параметров лопаточных венцов занимаются в течение многих лет, проблема количественной оценки степени этих изменений является достаточно актуальной. Ведь изучение и знание протекания износа и степени изменения геометрии лопаток наиболее повреждаемого элемента ГТД – компрессора окажет существенную помощь при разработке новых методов диагностики компрессора, при создании методов и средств защиты от эрозии, а также позволит упорядочить технологический процесс дефектации лопаток при ремонте.
Определение влияния запыленности воздуха на параметры ступеней осевого компрессора и построение траекторий движения частиц пыли в межлопаточном канале
В данной статье проведена работа по выявлению геометрических размеров лопаточных венцов при эрозионном износе, а также определены скорости движения частиц пыли в канале, а также характер износа по проточной части.
В качестве предмета исследования использованы данные об изменении параметров компрессорной установки УКП-5 с генератором сжатого воздуха ГСВ-95 на базе авиационного ГТД Р95Ш [рис. 1] при работе ее в условиях сильной запыленности, последовавшими в итоге помпажами дефектации с контролем итоговой геометрии лопаток. Показанная на рис.1 установка УКП-5 предназначена для продувки магистральных трубопроводов. Летом и осенью 2000 году она эксплуатировалась на участках трассы строящегося нефтепровода КТК, проходящих по территории Республики Калмыкия и Ставропольского края, в запыленной атмосфере полупустынь с повышенной концентрацией частиц абразивного вещества в воздухе. УКП-5 не снабжена пылезащитным входным устройством.
Несмотря на принимавшиеся меры, такие как увлажнение грунта рядом с установкой и укладка защитного нетканого материала под входное устройство, начала интенсивно развиваться эрозия лопаток компрессора (в основном КВД, что определялось визуально через лючки осмотра ГСВ). Это привело сначала к плавному, а потом к резкому изменению параметров работы ГСВ (велся подробный хронометраж). Эксплуатация УКП-5 была прекращена в связи с тремя случаями помпажа, после суммарной наработки около 128 часов (за два с половиной месяца эксплуатации в указанных зонах).
Рис 1. Генератор сжатого воздуха ГСВ-95, подвергшийся эрозии при использовании при продувке газопровода в Калмыкии
Правильная оценка траектории движения частиц пыли в межлопаточном канале имеет существенное значение при изучении процесса эрозии. В силу большей плотности частиц пыли их траектории имеют меньшую кривизну, чем траектории частиц газа. В первом приближении можно учесть, что и в меридиальном сечении, и в рамках поверхностей тока (в рамках элементарных решеток, ступеней) радиальные и окружные ускорения вызываются как для газа, так и для частиц пыли практически одинаковыми градиентами статического давления (радиальным и поперечным, в искривленном межлопаточном канале). Соответственно, радиальные и окружные ускорения частиц пыли можно рассчитать через аналогичные ускорения частиц газа, используя соотношение их плотностей. Поэтому можно рассчитать окружные составляющие окружных скоростей частиц в относительном и абсолютном движении. Если считать, что осевые скорости газа и частиц пыли одинаковы, это позволяет в любой точке ПЧ определить вектор скорости частиц, выявить, под каким углом и с какой частотой и с каким импульсом они бомбардируют различные участки пера лопатки (преимущественно переднюю кромку и выходной участок корыта), т.е. степень фреттинга. Эти же соображения позволяют выявить траектории частиц пыли в меридиональном сечении, т.е. вывить перераспределение зоны запыления по высоте ПЧ.
Рассмотрим движение частиц в радиальном направлении. Центростремительное ускорение будет определяться выражением:
(1) ,
где
-
окружная скорость частицы пыли.
Примечание. В статье все параметры, обозначенные индексом ч относятся к частице пыли.
Центростремительное ускорение задает
градиент давления
.
Это выражение справедливо для частиц с круговым движением. Однако у
частиц пыли в двухфазном потоке движение не круговое, они уходят к
периферии с ускорением
(2), так как
В выражении (2) считаем, что
.
Принимая радиальную скорость на входе в
первое рабочее колесо
,
выразим радиальную скорость частицы в любой точке S
(3)
При движении частиц пыли в многоступенчатом осевом компрессоре необходимо рассматривать частицу пыли на входе в первое рабочее колесо, идущую по втулке, затем в последующих рабочих колесах и направляющих аппаратах по корыту. Данное представление можно описать с помощью следующего выражения
(4), так как
и
,
то подставляя эти выражения в (4) получим
(5).
Из выражения (5) видно, что износ лопаток по мере удаления частиц от входа будет увеличиваться к периферии. Это произойдет в силу сепарирующего эффекта в компрессоре, при котором концентрация частиц будет постепенно увеличиваться к периферии пера лопатки. При этом износ первых лопаток и износ корневого сечения последних ступеней будет практически отсутствовать.
Газодинамические параметры
1-й ступени взяты из термогазодинамического расчета установки:
Геометрические параметры компрессора взяты из чертежа двигателя (рис. 2).
Установка ГСВ-95, как было уже выше сказано, эксплуатировалась в районе полупустынь.
Распределение частиц по размерам и концентрации частиц являются наиболее важными параметрами, характеризующими загрязнение воздуха.
Чтобы определить концентрацию пыли, измеряется содержание пыли в кубическом метре воздуха. Концентрация пыли существенным образом зависит от географических и временных факторов. Плотность частиц пыли определяется также ветром (входящими потоками), при котором держится пыль
,
тогда
(6)
Принимая концентрацию частиц
(табл. 1), диаметр частиц
(табл. 1) и скорость ветра
=
0,5 м/с, рассчитаем отношение
:
Подставляя значение
при известном значение
в выражение
,
получим значение
:
По уравнению (6) можно судить о том, что чем больше концентрация пыли на входе, тем больше скорость частиц, с которой они ударяются о поверхность лопатки.
Используя известные данные ГСВ-95, была построена (расчетным путем) нижняя граница пылевой зоны по высоте ПЧ (проточной части). Видно, что по мере удаления частиц от входа (рис. 2) нижняя граница зоны запыленности удаляется от втулки. Внутри этой зоны концентрация частиц неравномерна – она нарастает от нижней границы к периферии.
Рис 2. Определение границы запыленной зоны в компрессоре ГСВ- 95 в проточной части
Например, относительная окружная скорость частиц определится как
(7)
.
Угол, с которой частицы пыли ударяются о
поверхность лопатки, можно определить из выражения:
,
тогда
,
.
Относительная скорость частиц при ударе
Величина нормали к скорости
Рассчитанные выше скорости относятся к
корытцу лопатки, скорости и траектории частиц по корыту, спинке и
средней линии («ядра») различны. Величина
дает распределение фреттинга (уноса материала), при этом она
пропорциональна значению
.
Унос материла по спинке будет стремиться к нулю, а в средней части
корыта- минимальный.
Частицы с одной скоростью ударяются о поверхность лопатки и с другой уже скоростью отскакивают. Сведения, приведенные в различных источниках, показывают, что при ударе всегда теряется одна и та же величина скорости, равная примерно 0,81-0,85.
Рис. 3. а) - схема треугольников скоростей движения частицы пыли и воздуха в межлопаточном канале, б) - схема для построения траектории частиц
То есть, скорость частицы
после удара о лопатку в относительном движении можно определить как
Выше приведена схема построения траектории частиц в межлопаточном канале осевой ступени компрессора (рис. 3).
У лопаток рабочего колеса величина лопаток больше, чем у лопаток направляющего аппарата. Такое явление может быть объяснено тем, что скорость частиц при ударе о рабочую лопатку значительно больше, чем скорость удара о направляющий аппарат.
Приведенные выше соображения также подтверждаются и методом трехмерного CAD/CAE-моделирования. Расчет выполнен в программном комплексе ANSYS (рис. 4)
Сопоставление полученных результатов (рис.9) с результатами дефектации ГСВ-95 и обмера подвергшихся эрозии лопаток после работы в условиях существенной запыленности (рис.2) показало их хорошую сходимость.
Рис. 4. аспределение величины эрозии пера рабочей лопатки по результатам 3D CAD/CAE-моделирования: a)- по корыту, б) – по спинке
Вывод
Изложенные в статье материалы о траекториях частиц пыли в межлопаточном канале осевого компрессора позволяют анализировать и на этапе проектирования прогнозировать картину износа лопаток любой формы и определять наиболее подверженные эрозии участки конкретных профилей и пера лопаток. При этом рабочие и направляющие лопатки первых ступеней подвергаются эрозии по всей высоте (в большей степени со стороны корыта, вблизи передней и задней кромок), тогда как рабочие лопатки последних ступеней имеются ярко выраженное нарастание эрозии по мере приближения к концевому сечению (к периферии), что обусловлено центрифугированием пыли в ступенях. В связи с этим увеличивается концентрация пыли на периферии и лопатки последних ступеней, являющиеся наиболее тонкими становятся наиболее изнашиваемым элементом двигателя.
Обмеры лопаток после эрозии в лаборатории ООО НВП «ОПТЭЛ» УГАТУ показывают, что картина износа подтверждает приведенные выше соображения о траектории движения частиц.
Выявленные закономерности движения частиц пыли в проточной части компрессоров ГТД, особенности эрозии, изменения геометрии лопаток и изменения параметров и характеристик двигателей позволяют учесть условия эксплуатации при проектировании двигателя, разработать меры по защите лопаток от эрозии и средства параметрической диагностики ГТД.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 10-08-00795).
Литература:
Шальман Ю.И. Износ и изменение параметров осевой и центробежной ступеней при работе на запыленном воздухе. Сборник статей "Вертолетные газотурбинные двигатели", М.: Машиностроение, 1966 г.
Ф.П. Ходеев, Г.П. Щеголев, Е.Н. Бут, В.Г. Палиенко. Изменение геометрических параметров профилей лопаток компрессора осевых компрессоров турбовальных ГТД в процессе эксплуатации. // Авиационная промышленность № 3-4, 1995 г., стр. 38-41
Струговец С.А., Кривошеев И.А., Галиуллин Р.М., Камаева Р.Ф. Использование закономерностей протекания характеристик компрессора при параметрической диагностике технического состояния ГТД // Молодой ученый. – Т 1. -№ 1-2 (13). – С. 59-66. ISSN 2072-0297
Hamed, A., and Tabakoff, W., 1994, “Experimental and Numerical Simulation of Ingested Particles in Gas Turbine Engines,” AGARD (NATO) 83rd Symposium of Propulsion and Energetics Panel on Turbines, Rotterdam, The Netherlands, April 25-28.
