Диссертация (Методика оценки влияния климатических условий и эрозионного износа на характеристики ТРДДФ), страница 4

Кроме того, в результате износа происходит изменениеполя потока в связи с изменением геометрии профиля и качества поверхностей.Процесс эрозии лопаток зависит от ряда факторов: размера частичек пыли,материала лопатки и угла попадания частиц. При высокой запыленности(например, в вертолетных ГТД) наблюдается равномерный износ лопаток первыхступеней и усиленный износ периферийных участков лопаток последнихступеней. При умеренном среднем пылесодержании воздуха износ лопаток носит20локальный характер и зависит от особенностей течения, которые вызываютместное увеличение концентрации частиц и их скорости относительно лопаток.Износ лопаток компрессора приводит к изменению аэродинамического профиля иувеличению шероховатости поверхности лопатки. В результате уменьшаются*КПД η к , степень повышения давления π *к , расход воздуха G в и запасы ГДУотдельных ступеней и компрессора в целом [41].Интенсивность эрозионного износа материала лопатки пропорциональнаквадрату окружной скорости.

Уровень эрозии в многоступенчатом компрессореувеличиваетсяотпервойступеникпоследней,основныеэрозионныеповреждения профиля лопатки происходят со стороны корыта у переднейкромки [9].Наибольшему эрозионному износу подвергаются входные и выходныекромки лопаток, а также поверхность корыта. Поверхность спинки лопатокизнашивается только вблизи входной кромки. В районе втулки эрозионный износрабочих лопаток мал по сравнению с износом на их периферийной части.Эрозионный износ от ступени к ступени увеличивается, это происходитвследствие увеличения концентрации частиц, приходящихся на единицуповерхности пера рабочей лопатки компрессора и в результате уменьшенияплощади поверхности пера лопаток от ступени к ступени и сепарирования частицпод действием центробежных сил к периферии лопаток [2, 42].Изменение размеров и профилей деталей проточной части компрессораприводит к уменьшению степени повышения давления воздуха в компрессоре,снижению КПД компрессора, падению тяги (мощности) двигателя, увеличениюрасхода топлива.

А самое главное, эрозионный износ приводит к снижениюзапаса газодинамической устойчивости компрессора К у и помпажу [7].Вопрос исследования эрозионного износа в многоступенчатых лопаточныхмашинах гораздо сложнее, чем на отдельных ступенях, так как при движениичастиц по тракту двигателя происходит изменение их траектории движения отвхода до выхода из двигателя. Кроме того, комплексное влияние динамики частиц21и концентрации пыли приводит к тому, что уровень эрозии элементовкомпрессора начинает существенно зависеть от места положения ступеней иособенностей конструкции [43, 44, 45].В работе [46] проводилось экспериментальное исследование по влияниюпыли на элементы проточной части ТРДДФ (F100-PW-100) для определенияуровня эрозионного износа и закономерности его изменения по проточной части.Наблюдение во время разборки показало серьезную эрозию компрессоров иотложение на топливных форсунках. На рисунках 1.5, 1.6 и 1.7 показаны примерыизнашивания лопаток компрессоров низкого и высокого давления после разборкидвигателя.По результатам данного исследования установлено, что основнымиэлементами, которые больше подвергаются износу, являются рабочие лопаткикомпрессоров низкого (КНД) и высокого давления (КВД).

Износ проявлялся ввиде изменения геометрической формы лопаток рабочих колес (РК), и скореевсего уменьшения хорды и толщины профилей в периферийной части лопаток, атакже увеличения радиальных зазоров и изменения их формы. При этоминтенсивность износа возрастает от ступени к ступени.Рисунок 1.5 – Износ рабочих лопаток второй ступени КНД22Рисунок 1.6 – Износ рабочих лопаток третьей ступени КВДРисунок 1.7 – Износ рабочих лопаток девятой ступени КВДВ работах [47, 27], используя известные данные генератора сжатого воздухаГСВ-95, была построена (расчетным путем) нижняя граница пылевой зоны повысоте проточной части (рисунок 1.8) и было установлено, что по мере удалениячастиц от входа нижняя граница зоны запыленности удаляется от втулки.

Внутриэтой зоны концентрация частиц неравномерна, она нарастает от нижней границык периферии.В работе [26] проводилось исследование по описанию картины предельногоэрозионногоизносадеталейпроточнойчастикомпрессораиявлений,происходящих в процессе эксплуатации газотурбинного двигателя в сильнозапыленной атмосфере. На рисунке 1.9 показан пример эрозионного износа23роторакомпрессора.Дляполучениягеометрическихразмеровлопатоккомпрессора, достигшего предельного состояния использованы современныеоптико-электронные средства измерения типа «ОПТЭЛ-КЛ». Также разработаныметодики экспериментальных исследований с целью решения задач повышенияэрозионной стойкости.Рисунок 1.8 – Определение границы запыленной зоны в компрессоре ГСВ- 95 впроточной частиРисунок 1.9 – Характер предельного износа рабочих лопаток ГСВ по ступеням2 по 8 (наработка 128 часов)Как видно из рисунка 1.9, эрозионный износ лопаток компрессоравозрастает от ступени к ступени, что подтверждает полученные расчетным путѐмрезультаты [47].В работе [8] на основании исследования влияния условий эксплуатации наэлементы ТРДД (типа JT9D) установлено, что лопатки КНД и КВД подвергаются24износу, появляющемуся в виде изменения профилей лопаток в периферийнойчасти, ухудшения их состояния (увеличивается шероховатость) и изменениярадиальных зазоров.

При этом уровень износа на лопатках КВД больше, чем налопатках вентилятора и КНД. Кроме того установлено, что увеличениерадиального зазора представляет наибольшую долю причины ухудшенияхарактеристик каскадов компрессора.В работе [48] проведено исследование влияния изменения конструктивнотехнологическихфакторовдеталейпроточнойчастимногоступенчатогокомпрессора на его характеристики. Выявлено существенное изменениехарактеристик при отклонении от исходного значения величины хорды,максимальной толщины профиля и конструктивных углов входа решетки вусловиях эрозии. При этом наибольшее влияние оказывает на изменениенапорности первых четырех ступеней с регулируемыми направляющимиаппаратами (НА), а изменение КПД в целом менее значительно.В работе [49] отмечено, что явление пылевой эрозии является результатомтипичного двухфазного турбулентного течения и может рассматриваться какпроблема мульти-физики, в которой происходит взаимодействие поля потока,траектории частиц и деформации поверхности.

Вычислительными процедурамидля прогнозирования уровня эрозии являются:- расчет области турбулентного течения;- расчет траектории частиц;- изменение формы поверхности.Для определения степени эрозии, в работе [49] была использована модель,предложенная Neilson и Gilchrist [17]. Эта модель рассматривает повреждение врезультате удара частицы в виде двух отдельных механизмов, а именнодеформационного износа, вызванного нормальной скоростью и абразивногоизноса, связанного с тангенциальной скоростью. Каждый, из которых имеетсоответствующий компонент потери веса и, соответственно, суммарная потерявеса является суммой этих компонентов. Результаты исследования являются25большим научным вкладом при прогнозировании уровня эрозии, но сложностьданного подхода заключается в необходимости проведения предварительногоэксперимента для определения некоторых значений, необходимых для расчета.Вработах[50, 51, 52]указано,чтоуровеньэрозионногоизноса,определяющийся как отношение массы изнашиваемого материала на единицумассы абразивных частиц, зависит от обмена кинетической энергии частиц иповерхности, может быть оценен с помощью зависимости, выявленной Grant,Tabakoff и др.:  K 1 f (1)(V 12  V 22)  f (V1N ) ,(1.1)где ε – параметр эрозии;K1 – константа материала;β1 – относительный угол течения на входе в лопатку ротора;V1θ, V2θ – абсолютная тангенциальная скорость на входе и выходе из лопаткиротора;V1N – абсолютная нормальная скорость на входе в лопатку ротора.Суммарный уровень износа на лопатке выражается как отношение потеримассы лопатки на суммарную массу частиц, проходящих через каскад:0 me.Q(1.2)В результате данного подхода изменение геометрических параметровлопатки можно выражать таким образом [50]:- эквивалентное среднее изменение хорды лопатки: 1hCdhh ;C m(%)  100 1  0C m in (1.3)26- изменение радиального зазора:1Aii(%)  100  At n 1 ,in(1.4)где ΔCm – среднее изменение хорды;h – высота лопатки;Cmin – исходная средняя хорда;Δτ – изменение радиального зазора;At – площадь конца лопатки;τin – исходный радиальный зазор.Данный подход применялся для исследования влияния износа нагеометрические параметры ступени вентилятора, а также на еѐ характеристики.Результаты расчета показали хорошую сходимость с экспериментальнымиданными.

Недостаток данного подхода заключается в возможности примененияего только для ступеней типичных вентиляторов, лопатки которых имеютмаленькое удлинение с умеренным уровнем закрутки.В работе [53] проводилось исследование влияния эрозионного износа напараметры вертолетных ГТД с пылезащитными устройствами. Установлено, чтоосновными факторами, прежде всего влияющими на уровень износа, являютсяразмер частиц пыли и скорости их соударения.

При этом эрозионный износ,происходящий из-за пыли с определенным диапазоном размера частиц можноопределить как:E  k M 1 1 V   k M 2  2 V     k M n  n V kVmaxi minи соответственногде E – эрозионный износ;Er – уровень износа;M i i  k V M eff ,Er  k V eff ,(1.5)(1.6)27k – константа, зависящая от двигателя и износостойкости; – диаметр частицы (мкм); eff – эффективный диаметр частицы (мкм);V – скорость соударения;M – общая масса частиц пыли (кг);Mi – масса пыли в каждом i-ом диапазоне размера частиц (кг); – константа, зависящая от материала (в пределах 2,05…2,44) [54].Результаты данного исследования позволяют прогнозировать уровеньэрозионного износа.

Сложность применения данного подхода заключается вточности определения констант, связанных с материалами деталей двигателя.Кроме того, существует ограничение его применения только для компрессороввертолетных ГТД с ПЗУ.1.4Обзор работ по исследованию влияния влажности атмосферноговоздуха на характеристики компрессоров и параметры ГТДРабота газотурбинного двигателя характеризуется большими расходамирабочего тела (воздуха), который одновременно является и окружающей средой.Именно поэтому к его качеству предъявляются очень серьезные требования.Повышенная влажность атмосферного воздуха является одним из вредныхфакторов окружающей среды для техники, при этом меняется режим работыдвигателя [41].Влияние влажности на характеристики ГТД проявляется как следствиеизменения теплофизических свойств воздуха и продуктов сгорания топлива в нѐм:их удельной теплоемкости c p , энтальпии i, показателя адиабаты k и удельнойгазовой постоянной R, что может привести к существенному изменениюхарактеристик компрессора и параметров двигателя в целом.При отрицательных температурах наружного воздуха даже при высокойотносительной влажности влагосодержание составляет менее 0,005, т.е.