Аннотация
В статье рассмотрены условия эксплуатации и причины разрушения лопаток турбокомпрессора газотурбинного двигателя вертолета модели ВК-2500.
Введение
Одной из актуальных проблем, с решением которой связан прогресс современной техники, является проблема качества. Для решения данной проблемы, весомое значение имеет надежность, которая заключается в сохранении качественных характеристик изделия при ее эксплуатации.
Газотурбинные двигатели занимают монопольное положение в качестве двигателей современных самолетов и вертолетов. Основной тенденцией развития в авиа- и двигателестроении является увеличение удельных параметров рабочего процесса, нагрузок на детали, повышение их рабочих температур. В результате усложняется конструкция двигателя, что затрудняет поддержание высокого уровня надежности [1].
Показатели надежности определяются выносливостью наиболее ответственных и нагруженных деталей, испытывающих в процессе работы значительные знакопеременные и циклические нагрузки. К таким деталям относятся лопатки компрессора и турбины, геометрическая форма которых в процессе эксплуатации претерпевает значительных изменений [2,3].
Основная часть
Лопатки газотурбинных двигателей являются деталями со сложной геометрической пространственной формой. В процессе эксплуатации на них воздействует целый ряд негативных факторов, что неизбежно ведет к интенсивному износу и короткому, по сравнению с другими деталями двигателя, ресурсу.
Ресурс работы лопаток для двигателей гражданской авиации находится в пределах 10 000…20 000 ч, а для военной авиации – 500…1000 ч. Следует отметить, что лопатки турбокомпрессора работают в условиях высоких температур газа, достигающих для турбин 1200°С, для компрессора – 600°С [4].
Долговечность лопаток компрессора и турбины во многом определяется их тепловым состоянием и уровнем действующих нагрузок и напряжений. При изменении режимов работы двигателя, скорости и высоты полета вертолета условия теплового и механического нагружения лопаток существенно изменяются [4]. Нагрузки и вызываемые ими напряжения в пере лопаток, которые в ходе работы они претерпевают, представим в виде схемы (Рис. 1). Для лопаток первых ступеней компрессора и лопаток последних ступеней турбины наибольшее значение имеют напряжения растяжения от действия центробежных сил.
Рисунок 1 – Нагрузки и напряжения, действующие на лопатки турбокомпрессора
В результате эксплуатации на лопатки турбины и компрессора воздействует множество факторов, обусловленных особенностями влияния среды, в которой эксплуатируется двигатель (попадание сторонних предметов, коррозия, фреттинг-коррозия, обледенение, эрозия, износ и др.) [5,6].
Наибольшее число повреждений лопаток компрессора связано с попаданием в двигатель посторонних предметов. Крупные предметы, например, птицы, камни, крупный град являются источниками образования локальных забоин и вмятин; способствуют деформации и полному разрушению лопаток с последующими вторичными разрушениями элементов по всему тракту двигателя. У большинства лопаток посторонние предметы повреждают передние кромки [5].
В виду сложных условий эксплуатации вертолетных двигателей (взлеты и посадки с использованием неподготовленных взлетно-посадочных площадок, длительная работа вблизи земной поверхности) лопатки турбокомпрессора подвержены эрозионному износу. При висении вертолета концентрация пыли около земли достигает 2-3 г/м3, а вблизи входов в двигатель около 0,2…0,3 г/ м3, при этом в воздух поднимаются достаточно крупные частицы – 200…400 мкм [1]. Следует принять во внимание минералогический состав пыли, так как содержание в ней твердых частиц, существенно увеличивает износ лопаток. Износ лопаток первых ступеней компрессора происходит по всей высоте вследствие равномерного распределения потока пыли. Лопатки последних ступеней имеют ярко выраженный износ по периферии, что объясняется центрифугированием потока пыли в ступенях. Действие центробежных сил на частицы пыли приводит к концентрации ее на периферии, и лопатки последних ступеней, являющиеся более тонкими, оказываются наиболее изнашиваемыми деталями ГТД. Износ деталей проточной части компрессора может послужить причиной помпажа. Лопатки турбины также подвержены эрозионному износу, в основном истираются выходные кромки лопаток сопловых аппаратов, что приводит к увеувеличению температурного режима и уменьшению максимальной мощности двигателя.
В ходе эксплуатации вертолетных двигателей практически всегда возникают условия, при которых лопатки турбины и компрессора подвергаются различным видам коррозии. Основными видами коррозии, по которым производится отбраковка лопаток ГТД, являются: питтинговая, фреттинг-коррозия, сульфидно-оксидная коррозия, высокотемпературная коррозия и др.
Коррозия лопаток ГТД появляется в среде топлив и смазочных материалов. Наиболее часто встречающимися и опасными являются коррозионные повреждения лопаток турбин.
В результате работы газотурбинных двигателей с использованием низкосортных видов топлива, а также повышенной начальной температуры газов в турбине привело к развитию сульфидно-оксидной коррозии лопаток турбин. В состав природного газа, используемого как топливо, входит сера в виде сероводорода и меркаптановых соединений в большом количестве. Кроме этого, газ может быть загрязнен газовым конденсатом, в состав которого входят соединения серы и щелочных металлов [7].
Соединения, вызывающие сульфидно-оксидную коррозию или способствующие ее проявлению, попадают не только в результате сгорания топлива, а и вместе с воздухом в компрессор, камеру сгорания и турбину. Слой продуктов коррозии на лопатках относительно неравномерный, образует шероховатую корку.
Как следствие, в местах наибольшей скорости коррозии наблюдается изменение профиля лопаток – разъедание
их краев.
Анализ отказов двигателей показал, что сульфидно-оксидной коррозии лопаток подвержены вертолеты, эксплуатирующиеся на приморских аэродромах с высокой концентрацией солей в воздухе. Коррозионное повреждение лопаток снижает предел выносливости их материала на 10-30% [1].
На рисунке 2 приведено распределение отказов лопаток авиационных ГТД по этапам выполнения полета. Из всех отказов 17% приходится на отказы при работе двигателя около земли (запуск, руление, взлет) и 83% – на отказы при работе в воздухе, при этом 47% отказов происходит при работе на повышенных режимах. Такое распределение говорит о существенном влиянии запусков и повышенных режимов работы на долговечность лопаток турбокомпрессора [6].
Рисунок 2 – Распределение отказов лопаток ГТД по этапам полета
Вывод
Таким образом, поддержание эксплуатационной надежности газотурбинного двигателя на достаточно высоком уровне путем своевременного выявления неисправностей и предупреждение отказов, является основным условием обеспечения безопасности полетов.
Анализ эксплуатации показал, что в авиационном двигателе по мере выработки ресурса неизбежно накапливаются повреждения, интенсивность развития которых зависит в большей степени от окружающей среды и технологической наследственности. Повреждения, постепенно накапливаясь, достигают критического состояния и как результат приводят к частичному или полному отказу узла, агрегата и двигателя в целом
Список использованной литературы
1. Елисеев Ю.С. Технология эксплуатации, диагностики и ремонта газотурбинных двигателей: Учеб. пособие. / Ю.С. Елисеев, В.В. Крымов, К.А. Малиновский, В.Г. Попов. – М.: Высшая школа, 2002. – 355 с.
2. Богуслаев В.А., Муравченко Ф.М. и др. Технологическое обеспечение эксплуатационных характеристик деталей ГТД. Лопатки компрессора и вентилятора. Часть 1. ОАО "Мотор Сич", 2003. - 420 с.
3. Богуслаев В.А., Муравченко Ф.М. и др. Технологическое обеспечение эксплуатационных характеристик деталей ГТД. Лопатки турбины. Часть 2. ОАО "Мотор Сич", 2003. - 396 с.
4. Машошин О.Ф. Рабочие лопатки авиационных ГТД: конструкция, прочность, эксплуатация. Учебное пособие для обучающихся. / О.Ф. Машошин, Б.А. Чичков. – М.: МГТУ ГА, 2017. – 80 с.
5. Кеба И.В. Диагностика авиационных газотурбинных двигателей – М.: Транспорт, 1980 – 248 с.
6. Чичков Б.А. Рабочие лопатки авиационных ГТД. Часть I. Эксплуатационная повреждаемость рабочих лопаток. / Б.А. Чичков. / Московский государственных технический универНикитин В.И. Коррозия и защита лопаток газовых турбин. – Л.: Машиностроение, 1987. – 272 с.ситет гражданской авиации, 2000. – 74 с.
7. Скворцов Л. М. Адаптивные методы численного интегрирования в задачах моделирования динамических систем // Изв. РАН. Теория и системы управления. 1999. № 4. С. 72-78.