Основные закономерности повреждения лопаток компрессоров авиационных ГТД посторонними предметами

Аннотация

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

Общая постановка проблемы

Вихревое течение, возникающее между воздухозаборником и поверхностью аэродрома, является одной из причин, приводящих к забросу посторонних предметов (ПП) 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 ПП 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*103 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 рисунке 1 приведена расчетная схема воздухозаборника и двигателя ПС-90А до входа во внутренний контур.

На рисунке 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 рисунка 2 видно, что эпюра горизонтальных скоростей имеет два максимума:

• один перед воздухозаборником;

• второй под воздухозаборником.

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, в которой была экспериментально определена высота подброса вихревым шнуром частиц гравия в зависимости от режима работы двигателя ПК – 86 на самолете Ил – 86.

Результаты расчетов траекторий движения посторонних предметов, подброшенных вихревым течением и попавших в поле воздушного потока, втекающего в двигатель, представлено на рисунке 2. Для графической наглядности результатов расчетов количество посторонних предметов, подброшенных вихревым течением, было ограничено и составляло 15 штук. Из рисунка 2 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 аэродрома. 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.

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 и случай руления самолета, когда двигатели работают на режиме малый газ.

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.

В 2001 году в ОАО Авиадвигатель, ОАО ПМЗ, НТЦТехноАвиа 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.

Список использованной литературы

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. Масленков С. Б. Жаропрочные стали и сплавы. Справочник / С. Б. Масленков – М. : Металлургия, 1983. – 192 с.
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: Научно–технический 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.