Компрессор

1.2. Компрессор

         При работе двигателя, на отдельные узлы и детали компрессора действуют различные по величине и направлению силы и моменты от них. Наибольшую нагрузку (растяжение рабочей лопатки вызывает центробежная сила, зависящая от массы лопатки, радиуса на котором расположен центр ее тяжести и частоты вращения ротора). Эти усилия достигают максимального значения в замковой части лопатки. На лопатки компрессора также действуют периодически изменяющиеся силы, вызывающие вынужденные колебания лопатки. Основными причинами периодичности действия сил является: парциальный подвод воздуха к рабочей лопатке из-за наличия спрямляющего аппарата, различный расход воздуха через отдельные каналы (неточное изготовление деталей и наличие стоек ротора). Наибольшая интенсивность колебаний лопатки наблюдается на нерасчетных режимах. Колебания (вибрация) лопатки вызывают значительные усталостные напряжения в них. Появление резонансных колебаний резко увеличивает напряжения в лопатках, что может привести к их разрушению.

         В процессе эксплуатации ГТД отмечается возможность появления следующих характерных неисправностей:

- повреждение лопаток посторонними предметами (обрыв лопатки);

- разрушение опор подшипников (заклинивание ротора);

- механический износ деталей проточной части компрессора;

- обледенение входной части двигателя и лопаток ВНА, что обуславливает уменьшение секундного расхода воздуха и вероятность механического повреждения рабочей лопатки кусочками льда;

- эрозионный износ лопатки, вызванный наличием пыли (морской соли) в воздушном тракте, приводит к уменьшению запаса прочности.

         Значительный процент отказов двигателей связан с разрушением лопаток компрессора. Основными причинами разрушения лопаток у компрессора являются:

Рекомендуемые материалы

- высокий уровень динамического напряжения;

- недостаточная конструктивная прочность лопатки;

- эрозионный износ лопаток;

- повреждение лопаток посторонними предметами, попадающими в воздушный тракт;

- коррозионное повреждение поверхности лопатки;

- производственные дефекты.

         Разрушение лопатки компрессора приводит к помпажу, повышению уровня вибраций и ухудшению характеристик двигателя. Высокие переменные напряжения, возникающие при резонансном колебании лопатки по основному тону (иногда по более высоким тонам), вызывает образование усталостных трещин. Усталостные разрушения происходят не мгновенно, что обуславливает постепенное накопление дефектов в кристаллической решетке и ограничивает скорость распространения трещин. При достаточной величине усталостных трещин происходит хрупкое мгновенное разрушение лопатки («долом»). В настоящее время инструментально определить уровень усталостного напряжения невозможно, поэтому лопатки заменяются, как только обнаруживается усталостная трещина. Развитие трещин начинаются, чаще всего, с выходных кромок, реже - с входных. Иногда они возникают на спинке и корыте лопатки у комлевой части, ближе к замку. При разрушении алюминиевых лопаток компрессора на лопатках турбины образуется налет расплавленного металла в виде светлых пятен, что является признаком повреждения при оценке технического состояния. На двигателе, где имеет место усталостное разрушение лопатки, обычно наблюдается существенный разброс напряжений при резонансных колебаниях лопаток:

                              ,                                      (1.1)

на исправных лопатка:

                               .                                          (1.2)

Поэтому отношение  , рассматривается наряду с максимальным напряжением  как диагностический параметр. Оценка напряжений производится с помощью тензодатчиков или путем бесконтактных измерений:

- дискретно-фазовый метод;

- голографический метод.

         Эрозионный износ лопаток приводит к уменьшению их хорды и толщины, к снижению усталостной прочности, а также к снижению КПД компрессора и ухудшению других основных характеристик двигателя. Повреждение и износ лабиринтных уплотнений увеличивает осевой зазор, что снижает КПД и запас устойчивости компрессора. Наибольшим повреждением при эрозии подвергаются входная и выходная кромки, верхняя часть лопаток ротора и статора. При попадании в воздушный тракт посторонних предметов особенно сильно повреждается передняя кромка. Забоины, образующие при этом, могут служить центром зарождения усталостных трещин. Коррозионному износу подвержены, в основном, стальные и алюминиевые лопатки. Глубина коррозионного поражения достигает 0,2…0,4 мм и носит, чаще всего, межкристаллитный очаговый характер. Развитию повреждений способствуют прижоги и растягивающие напряжения в поверхностных слоях. Коррозионные повреждения уменьшают предел выносливости на 10…30%. Разрушению лопаток компрессора при эксплуатации способствуют производственные дефекты. Наиболее трудно дефектируются прижоги поверхности и поверхностные растягивающие остаточные напряжения, возникающие при механической обработке. Нарушение геометрии профиля около кромок, отсутствие радиусов и галтелей и низкое качество поверхности снижает предел выносливости более, чем на 20%. Разрушение замков лопаток компрессора носит, в основном, усталостный характер. Этому способствует фреттинг-коррозия (коррозия трения), разрушающая поверхностные слои металла в местах контакта.

         В процессе эксплуатации двигателя компрессор работает в различных режимах и атмосферных условиях, не соответствующих расчетным. Проходное сечение, подобранное для расчетного режима, в этом случае не соответствует новым значениям параметров воздушного потока, что обуславливает возникновение срывов и завихрений.

         Помпажом называется неустойчивая работа компрессора и всего двигателя, возникающая при периодическом срыве воздушного потока с рабочих лопаток и спрямляющего аппарата. Помпаж является одной из наиболее распространенных причин, приводящих к отказу двигателя.

         Основными причинами возникновения помпажа являются:

 резкое увеличение подачи топлива в камеру сгорания (рост температуры газа перед турбиной , уменьшение абсолютной скорости воздуха по ступеням компрессора и секундного расхода воздуха через него );

2) боковой ветер со скоростью выше допустимой (снижение );

3) неисправности в системе управления перепуском воздуха в компрессоре или поворотом лопаток входного направляющего аппарата (ВНА) и спрямляющего аппарата (СА);

4) попадание в газовоздушный тракт посторонних предметов (облом лопаток, заклинивание ротора, резкое снижение );

5) работа двигателя на нерасчетных режимах;

6) повышенный износ лопаток (нарушение аэродинамики обтекания);

7) повышенный уровень турбулентности потока на входе в двигатель.

         При наступлении помпажа происходят следующие явления:

- возникают колебания давления, скорости и расхода воздуха в газовоздушном тракте;

- возникают колебания температуры газа перед турбиной вследствие импульсивного поступления воздуха в КС;

- уменьшается частота вращения ротора, что приводит к уменьшению  и степени повышения давления в компрессоре ;

- самовыключение двигателя из-за нарушения устойчивости горения.

         Последствия возникновения помпажа:

1) обгорание или разрушение лопаток турбины из-за повышения  и возникновения пульсаций воздушного потока;

2) разрушение лопаток компрессора из-за колебаний параметров воздушного потока с большой амплитудой;

3) разрушение элементов конструкции двигателя из-за повышенных вибраций.

Меры борьбы с помпажом:

1) плавное изменение числа оборотов ротора турбокомпрессорной группы;

2) перепуск части воздуха с первых ступеней компрессора в атмосферу или в последующие ступени;

3) запуск двигателя с наветренной стороны;

4) установка систем непрерывного автоматизированного контроля за изменением  и частоты вращения турбокомпрессора;

5) изменение углов установки лопаток ВНА и СА первых ступеней;

6) перфорация корпуса компрессора над рабочими лопатками первых ступеней;

7) установка на двигатель мощного стартера с автономным переключением питания с 24 V     на 48 V  (при запуске).

         Известно, что помпаж двигателя определяется, в первую очередь, внезапным падением давления Р, возникающим за компрессором и увеличением температуры газов перед турбиной.

Характерные дефекты дисков компрессоров и турбин

         Основными причинами разрушения дисков являются:

- низкое качество поковки и механической обработки;

- наличие посторонних включений в материале;

- коррозия поверхности;

- неправильная сборка и несовершенство контроля изготовления;

- эксплуатационные факторы.

         По данным бюро безопасности национального транспорта США (NTSB USA), 15% разрушений приходится на вентилятор, 47% - на компрессор и 38% - на турбину, причем, 58% - на набор высоты, 25% - на взлет и посадку, 15% - на крейсерский режим. Разрушение дисков вызывает на самолете пожар (30%), повреждение топливной системы (15%), крыльев (40%) и кабины (15%). Из этого видно, что разрушение дисков является одним из наиболее опасных отказов двигателя. Сложный профиль дисков, отверстия в полотне и металлургические дефекты, создающие зоны концентрации напряжений, являются очагами усталостного разрушения. Способствующими факторами являются также риски от механической обработки и поверхностные остаточные растягивающие напряжения. Разрушение дисков может быть вызвано перегревом полотна диска в целом, местным перегревом отдельных его элементов или кратковременной статической перегрузкой, в следствии самопроизвольного возрастания оборотов ротора. Перегрев центральной, наиболее напряженной части диска, приводит к повышенной вытяжке. Этому способствуют высокий уровень статического напряжения от действия центробежных сил и пониженный уровень механических свойств материала.

         Определение истинных причин разрушения дисков сводится к решению следующих задач:

1) определение числа оборотов в момент разрушения;

2) определение поля температур, вызвавших пластическую деформацию диска;

3) определение типа напряженного состояния поверхностного слоя после изготовления (наклеп, растягивающие остаточные напряжения и т.д.);

4) определение величины пластической деформации;

5) проверочный расчет на прочность по фактическим размерам и механическим свойствам материала.

         От действующего термического напряжения при многократных повторах цикла «запуск - остановка» на ободной части диска могут возникать термические трещины, этому способствует наклеп от механической обработки и газовая коррозия по границам зерен.

         В замковом соединении лопасти и диска возможно появление усталостных трещин при неравномерном распределении усилий по зубьям «елочного» соединения. В замках также возможно появление фреттинг-коррозии, которая способствует возникновению усталостных трещин.

Диски осевых компрессоров

         В зависимости от температуры диски выполняются из титановых сплавов (ВТ8, ВТ9, ВТ25У) или жаропрочных сталей (13Х12Н2В2МФ) и сплавов (ХН73МБТЮ, ХН62БМКТЮ).

Дефекты дисков:

1. Усталостные трещины на лабиринтах выполненных заодно с диском и имеющих консольное расположение.

         В процессе доводки и эксплуатации возможны случаи появления трещин на гребешках лабиринта диска после различной наработки. Дефекты появляются и в условиях обеспечения гарантийного зазора между гребешками роторной части лабиринта и гладкой частью статора во всем диапазоне частот вращения.

2. Газонасыщенные участки в штамповках титановых сплавов.

         Наличие газонасыщенных участков - весьма опасный дефект. Если дефектный участок не выходит на поверхность, то его трудно обнаружить существующими методами контроля и от него может развиваться усталостная трещина.

         При развитии трещины появляются повышенный дисбаланс и вибрации двигателя, что является признаком неисправности.

         Меры предупреждения и обнаружения подобных дефектов: отработка технологии производства штамповок дисков, исключающее появление газонасыщенных участков, усовершенствование методов ультразвукового контроля, периодический контроль дисков в эксплуатации, специальная методика диагностирования вибрационного состояния, систематическое наблюдение за динамикой уровня вибрации по автоматизированной регистрации.

3. Объемные остаточные напряжения, наведенные на стадии изготовления заготовки, повышенная хрупкость материала диска вследствие превышения допустимого содержания алюминия.

         Данный дефект является причиной разрушения диска компрессора из титанового сплава после наработки более 1000 часов и 5000 циклов от малоцикловой усталости.

         Опасность данного дефекта состоит в том, что он не может быть выявлен при стандартных испытаниях, а, следовательно, газотурбинная установка может выйти из строя внезапно, через достаточно длительный период времени.

         Указанный дефект может быть выявлен только при малоцикловых испытаниях материала с выдержкой под нагрузкой.

4. Трещина усталостного характера от отверстий под препарирование.

         На внутренней части полотна диска компрессора (под соединительными проставками) возможны трещины от отверстий выполненных под препарирование для тензометрирования в местах приварки фольги

Трещина имеет усталостный характер, очаг усталости на месте контактной сварки. Для исключения дефекта осуществляют скругление и полирование кромок отверстия и последующее упрочнение. Контактную приварку фольги исключают из технологии препарирования.

         Ресурс дисков определяется малоцикловой и высокочастотной усталостью, а для горячих дисков последних ступеней компрессоров некоторое влияние на ресурс может оказать их длительная прочность. С учетом этого выбирают методы упрочнения дисков.

Замки крепления лопаток компрессоров

         Для крепления рабочих лопаток компрессора к диску обычно применяют замки: ласточкин хвост, шарнирные или елочные.

Замки воспринимают статические нагрузки от центробежных и газовых сил, действующих на лопатки, и поперечные нагрузки от лопаток. На замки действуют также собственные центробежные силы.

Замок ласточкин хвост

         Замок ласточкин хвост наиболее простой, технологичный и легкий.

         В замке ласточкин хвост обычно оцениваются напряжения растяжения   и изгиба  в межпазовом выступе диска, напряжения смятия по контактным граням и напряжение среза  хвостовика и выступа диска (рис.1.1).

Возможна также дополнительная оценка несущей способности замка под действием растягивающей силы и крутящего момента, вызванного несовпадением линии действия нормальной силы N по обе стороны контактной грани при угле установки лопатки отличном от нуля (рис.1.2).

Рис. 1.1. Cхема нагружения замка ласточкин хвост

1-ось замка;  2-ось колеса

Рис.1.2. Схема действия сил на межпазовый выступ диска при косом замке ласточкин хвост

         Угол наклона контактной грани находится в пределах . Выбор угла определяется числом лопаток в колесе, допустимыми напряжениями смятия, сопротивлением усталости замка и размерами лопатки. Наиболее распространенным является замок ласточкин хвост с углом .

В процессе доводки компрессоров отмечаются случаи усталостного повреждения хвостовиков лопаток. Так, у лопаток из сплава ВТ9 с замком ласточкин хвост с углом  появлялись усталостные трещины и поломки хвостовика. Очаг усталости находился в непосредственной близости к радиусу перехода от контактной поверхности к торцу хвостовика. В зоне расположения трещины по которой происходило разрушение, имелись следы контактной коррозии, значительно снижающей предел выносливости материала.

         Такие дефекты устранялись двумя способами:

1) установкой на хвостовики лопаток прокладок толщиной 0.2 мм из сплава ХН78Т. Однако установка их значительно усложняет технологию изготовления и сборки колеса. Кроме того при большой наработке (более 1000 ч) наблюдается износ прокладок;

2) изменением угла хвостовика с на  с одновременным увеличением длины хвостовика с 32 до 50 мм.

         Замковое соединение с углом под воздействием центробежных сил от лопаток является самозаклинивающимся, что предотвращает микроперемещения хвостовиков в пазах диска. Это уменьшает склонность к появлению фреттинг-коррозии. Увеличение длины снижает напряжения на рабочих поверхностях хвостовика. Возможно также контактная коррозия на поверхности замка ласточкин хвост лопаток вентиляторного колеса. Причиной является наличие микроперемещений хвостовиков лопаток в пазах диска при колебании лопаток. Уменьшить проявление дефекта можно с помощью зачистки мест образования контактной коррозии и последующего упрочнения микрошариками. Это увеличивает ресурс, но не исключает дефект полностью.

         Наиболее эффективный способ устранения дефекта - накатка роликом (рифление поверхности) рабочих поверхностей хвостовиков. В процессе накатки происходит пластическая деформация, что создает наклеп и остаточные напряжения сжатия и более благоприятную структуру их залегания по сравнению с упрочнением гладкой поверхности. Кроме того, рельеф связанных каналов позволяет удалять с поверхности продукты изнашивания и транспортировать твердый смазочный материал к местам контакта.

         Для уменьшения склонности к дефектам усталостного происхождения наиболее часто проявляющихся в замках ласточкин хвост рекомендуется следующее:

- уменьшение статических и переменных напряжений в замке путем усиления перемычки и уменьшение угла установки замка;

- увеличение радиуса перехода в углах паза и его полирование;

- упрочняющая обработка замка, повышающая изгибную и контактную выносливость;

- разгрузка краев замка введением скосов;

- уменьшение переменных напряжений в колесе с помощью частотной отстройки демпфирования или путем устранения источника возбуждения.

Елочный замок

         Елочные замки для крепления лопаток применяют с целью размещения большого числа лопаток в колесе. Обычно это замки с более крупными зубьями по сравнению с турбинными и содержат меньшее число пар зубьев.

         Наиболее часто встречаются усталостные трещины зубьев замка в условиях существенной асимметрии нагружения.

         Для повышения сопротивления усталости и снижения склонности к фреттинг-коррозии замки крепления лопаток упрочняют дробеструйной обработкой, микрошариками или виброобработкой. На контактных поверхностях замков иногда наносят рельефную гравюру в виде многогранников или других фигур.

Шарнирный замок

         Шарнирный замок применяют для крепления лопаток с целью отстройки от резонансов низших форм колебаний.

         Для повышения сопротивления усталости шарнирных замков используют упрочнение отверстий раскатыванием, которое повышает их предел выносливости примерно на 15%. Введение финишной операции - раскатывания отверстий - обеспечивает в поверхностном слое стабильные сжимающие остаточные напряжения, уменьшает шероховатость поверхностей и увеличивает микротвердость на 25%.

Рабочие лопатки осевых компрессоров

         Компрессорные лопатки можно разделить на две большие группы - рабочие лопатки колес и статорные лопатки. Рабочие лопатки работают в более сложных условиях и поэтому их проектированию уделяется особое внимание. Для статорных лопаток многие проблемы отсутствуют, и проектирование менее проблематично.

         Статические напряжения в лопатках в основном складываются из напряжений растяжения от центробежных сил и изгибных напряжений от газовых и центробежных сил.

         В зависимости от рабочих температур и нагрузок рабочие лопатки выполняют из алюминиевых (ВД17), титановых (ВТ3-1, ВТ6, ВТ8, ВТ9) или жаропрочных сталей (13Х11Н2В2МФ, 15Х12Н2МВФАБ) и сплавов (ХН45МВТЮБР, ХН70ВМТЮБ).

         Определяющим видом нагружения для рабочих лопаток компрессора являются переменные напряжения.

         Большинство дефектов рабочих лопаток компрессоров связано с повышенным возбуждением переменными нагрузками или недостаточным сопротивлением усталости лопаток.

         Для исключения попадания лопаток с пониженным сопротивлением усталости предпринимается следующее:

- введение сплошного контроля микроструктуры штамповок лопаток;

- введение выборочного контроля сопротивления усталости натурных лопаток (одна лопатка от колеса);

- внедрение технологии гидродробеструйной обработки лопаток, обеспечивающей улучшенное качество поверхности;

- замена марки материала лопаток - ВТ3-1 на ВТ8, имеющего более высокий предел выносливости;

- введение бандажирования лопаток вентилятора.

         В процессе доводки бандажированных лопаток часто появляется дефект - изнашивание поверхностей бандажных полок лопаток в месте контакта их между собой. Глубина выработки может составлять до 0.25…1.0 мм.

         Для устранения дефекта увеличивается площадь контакта бандажных полок путем изменения толщины полки (высоты контактной поверхности) и ее длины.

         Во время использования колес с лопатками, имеющими натяг по бандажным полкам, часто встречается дефект - нестабильность балансировки ротора.

         При сборке рабочих колес с полочными лопатками возможен перекос лопаток в замке. Вследствие натяга по полкам возникают силы трения, которые препятствуют выставлению лопаток в рабочее положение, особенно при балансировки колес на малых оборотах. Для устранения этого недостатка рекомендуется вводить обстукивание лопаток в процессе балансирования и применять групповую балансировку.

         Методика групповой балансировки заключается в том, что колесо балансируется не со всеми лопатками, а с группой лопаток через одну. Этот вид балансировки рекомендуется при балансировке колес с  вентиляторными лопатками большой массы, где при обычном методе возникают значительные погрешности балансировки.

         Недостатком данного метода является удлинение цикла балансировки.

         На рабочих лопатках компрессора появляется дефект, связанный с высокочастотными колебаниями. Дефект проявляется в виде обрыва уголка пера рабочей лопатки. Излом лопатки усталостный, с началом у торца пера в зоне выработки при касании торца пера о специальный слой. По мере развития трещина меняет направление с радиального на поперечное.

         Устранить подобный дефект можно следующими способами:

- полированием торца лопаток и исключением касания их о защитный слой статора;

- срезанием уголков лопаток (по наружному торцу и по кромкам);

- утолщением кромок периферийных сечений;

- упрочнением поверхности;

- введение разношаговых направляющих аппаратов.

         При длительной наработке двигателей, особенно при эксплуатации в условиях загрязненной атмосферы, появляется эрозия входных кромок лопаток. Применение коррозионно-стойких стальных и титановых лопаток со специальными методами структурного и поверхностного упрочнения, а также снижения загрязнения атмосферы уменьшают эрозию лопаток.

Лопатки направляющих аппаратов

         Направляющие лопатки компрессоров воспринимают статические и переменные нагрузки от газовых сил.

В лекции "3 Пространственные виды искусства" также много полезной информации.

         В зависимости от рабочих температур и нагрузок лопатки направляющих аппаратов выполняют из алюминиевых (ВД17), титановых (ВТ8, ОТ4, ВТ20) или жаропрочных (ХН70МВТЮБ, ХН45МВТЮБР) сплавов.

         Надежная работа направляющих аппаратов зависит от их жесткости, определяющей осевые перемещения.

         В направляющих аппаратах с заклепками усталостные трещины возникают на хвостовиках лопаток в зоне отверстий под заклепки. Причиной появления трещин является наличие повышенных переменных напряжений в местах заделки. С целью уменьшения переменных напряжений в месте дефекта увеличивают толщину хвостовика и изменяют конфигурацию хвостовика.

         В процессе доводки возникают усталостные поломки уголков нижних полок направляющих лопаток. Дефекты устраняются технологическими мерами.

         В результате деформации направляющих аппаратов появляются дефекты в виде касания кромок рабочих лопаток о кромки направляющих лопаток. Исключение дефекта обеспечивается осевыми зазорами между венцами дисков и направляющими аппаратами и кромками лопаток, устанавливаемых с учетом податливости направляющих аппаратов и статистики случаев касания.

         Частым дефектом при наработке полочных направляющих аппаратов является наклеп, выкрашивание, сколы уголков лопаток. Причиной являются переменные напряжения в лопатках и изнашивание контактных поверхностей полок, что ослабляет их посадку в местах их заделок.        Таким образом, ресурс направляющих аппаратов в значительной мере определяется действием переменных нагрузок с учетом малоциклового нагружения.