CC BY
61
2007 НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА №123
Серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники
УДК 621.43.018
К РАЗРАБОТКЕ МЕТОДА ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ ЛОПАТОК НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЕНТИЛЯТОРНОЙ СТУПЕНИ ТРДД ПС-90А
В.Т. ШУЛЕКИН, Е.А. ЛАЗАРЕВ Статья представлена доктором технических наук, профессором Умушкиным Б.П.
Рассмотрены различные виды неравномерности потока на входе в лопаточный аппарат ступени компрессора. Приводятся результаты обработки статистической информации по повреждениям лопаток компрессора ТРДД ПС-90А. Предлагается приближённый метод оценки влияния повреждений лопаток на характеристики вентиляторной ступени ТРДД ПС-90А.
Известно из теории авиационных ГТД, что основной причиной срыва потока воздуха с выпуклой поверхности («спинки») лопаток компрессора (неустойчивой работы его) является сни-------------------------------- Cia
жение коэффициента расхода Са =-------, где с\а — осевая составляющая скорости на входе в
и
рабочую решетку; и — окружная скорость.
Уменьшение Са , в свою очередь, зависит от различных факторов, в том числе от: искажения геометрической формы и размеров лопаток в процессе их изготовления; ухудшения состояния поверхности лопаток в условиях эксплуатации, например, вследствие абразивного износа или загрязнения лопаток и прежде всего их передних кромок при работе на пыльных или грунтовых аэродромах, повреждений лопаток из-за попадания в компрессор посторонних предметов (камней, кусков льда и т.д.); нарушения осевой симметрии компрессора;
увеличения радиальных зазоров (например, из-за износа уплотнений или небрежного ремонта);
неравномерности потока в окружном и радиальном направлениях на входе в лопаточный аппарат ступени компрессора;
обрыва лопаток из-за недостаточной их прочности или в связи с взаимодействием с посторонними предметами и др.
В результате уменьшения Са появляется неравномерность и нестационарность потока перед лопаточным аппаратом ступени компрессора.
На рис. 1 показана радиальная неравномерность потока воздуха перед компрессором, при которой поток сохраняет осевую симметрию, но осевая скорость существенно меняется вдоль
радиуса. Из-за большей окружной скорости на периферии лопаток коэффициент расхода Са значительно меньше, чем в корневых сечениях. Периферийные сечения лопаток работают со срывом потока со спинки лопаток, а корневые - со срывом с корыта лопаток. Очевидно, что любое нарушение геометрии лопаток на их периферии, соответственно, увеличивает радиальную неравномерность воздушного потока и снижает напорность и эффективность ступени компрессора.
Рис. 1. Изменение осевой скорости по радиусу перед компрессором
На рис. 2 показана окружная неравномерность потока воздуха перед компрессором, при которой параметры потока не изменяются вдоль радиуса (вне пограничного слоя), но нарушается осевая симметрия потока (угол р отсчитывается от вертикали сверху). Видно, что и в этих случаях в срывном режиме работают лопатки, находящиеся в нижнем секторе рабочего колеса.
Рис. 2. Изменение осевой скорости в окружном направлении на входе в компрессор
Появление радиальной неравномерности потока обычно связывают с накоплением и отрывом пограничного слоя в длинных каналах, по которым воздух подводится к двигателю, или срывом потока с датчиков давления и температуры, установленных перед компрессором.
Окружная неравномерность обычно вызывается наличием стоек в воздушных каналах, их разветвлением, а также несимметричным обдувом входных устройств при полёте воздушного судна с большим углом атаки или при его скольжении. Кроме того, окружная неравномерность может быть вызвана при пробеге ВС по взлетно-посадочной полосе, когда воздух, засасываемый из полусферы диаметром 3...4 миделевого диаметра двигателя, взаимодействует с ВПП.
Механизм воздействия окружной или смешанной неравномерности на работу ступени и компрессора весьма сложен, так как нарушается осевая симметрия потока, а обтекание лопаток рабочих колёс приобретает существенно нестационарный характер из-за периодического попадания их в зоны повышенных и пониженных значений полного давления. Но в качественном отношении он аналогичен влиянию радиальной неравномерности:
а) наличие зон с пониженными осевыми скоростями приводит к смещению границы устойчивости компрессора на большие расходы воздуха (рис. 3);
б) изменение других параметров может быть существенным при значительном повреждении лопаток;
в) при прохождении потока через ступень степень неравномерности потока уменьшается, однако из-за осевой асимметрии и нестационарности течения выравнивание окружной неравномерности происходит гораздо медленнее, чем радиальной, и поэтому её влияние может распространяться почти на все ступени компрессора.
Рис. 3. Влияние неравномерности потока на входе на характеристики компрессора
Смещение границы устойчивости является наиболее важным для практики эксплуатации следствием неравномерности потока. Количественная связь этих явлений в общем случае достаточно сложна, так как определяется конкретным характером неравномерности, типом ступеней и степенью рассогласования на данном режиме работы как отдельных ступеней компрессора, так и элементарных ступеней, расположенных на различных радиусах. Поскольку на практике детальный учёт этих факторов не всегда возможен, для инженерной оценки влияния неравномерности на работу ступени компрессора используются различные приближённые критерии. Простейшим из них является степень неравномерности поля скоростей, определяемая по разности наибольшего и наименьшего значений осевой скорости:
=
'а тах
'а тт
(1)
'а ср
Однако влияние неравномерности определяется не только этой разностью, но и протяженностью зоны пониженных скоростей Са. Для учёта этого обстоятельства применяются более сложные критерии, например, параметр
1
с
(2)
где интегрирование ведётся по той части сечения входа, которая занята зоной пониженных скоростей Са .
Учитывая, что при обычных значениях осевой скорости воздуха перед компрессором отно-
*
сительные отклонения Са и р от средних значений имеют почти один и тот же порядок (при постоянном статическом давлении и 1 = 0.5...0.6 изменению скорости Са на 1 % соответст-
с
а
*
вует изменение р на 0.3... 0.45 %), вместо степени неравномерности поля скоростей часто рассматривают степень неравномерности поля давлений:
* *
d* _ р max-р min (3)
Рср
или более сложный параметр (рис. 4)
* *
Nc _ Р max -Р min Кф, (4)
рср
где Кф - коэффициент, учитывающий конфигурацию зоны пониженных скоростей са (в наиболее неблагоприятном случае, когда зона пониженных скоростей занимает половину окружности, Кф _ 1.0).
Рис. 4. Влияние неравномерности потока перед компрессором на частоту вращения верхнего ппр в и нижнего пПр н срыва для турбореактивного двигателя Дженерал - Электрик I - 79
при неизменном положении лопаток статора (М^ > 1.1...1.3 на взлётном и номинальном режимах работы двигателя)
Таким образом, для решения задачи оценки влияния повреждённых лопаток и подвергающихся «зачистке» на характеристики ступени и компрессора необходимо определить степень
*
неравномерности поля скоростей са или давлений р . С этой целью прежде всего осуществляется сбор и анализ статистической информации по повреждениям лопаток компрессора и выявляется протяженность зоны их.
На рис. 5 показано распределение повреждений по длине рабочих лопаток вентиляторной ступени двухконтурного турбореактивного двигателя (ТРДД) ПС-90А, который устанавливается на воздушных судах Ил-96-300, Ту-214 и др. Видно, что наибольшее количество повреждений лопаток наблюдается на их периферии, где имеет место наибольшая окружная скорость и сверхзвуковое обтекание профилей лопаток.
На рис. 6 показано распределение повреждений по длине рабочих лопаток первой ступени компрессора высокого давления ТРДД ПС-90А. Видно, что наибольшее количество повреждений наблюдается также на периферии лопаток (зоны 10 и 9).
Важное значение для оценки неравномерности потока, вызываемой повреждёнными лопатками, имеет глубина забоин и последующей их зачистки (рис.7), а также количество поврежденных лопаток. Обработка статистической информации по двигателю ПС-90А показала, что
количество поврежденных рабочих лопаток вентиляторной ступени составляет диапазон 1 - 9, то есть примерно 30% от общего их количества.
50 60 % поврежд.
Рис. 5. Распределение повреждений по длине рабочих лопаток вентиляторной ступени компрессора низкого давления ТРДД ПС-90А: 1 - входная кромка; 2 - торец пера;
3 - выходная кромка; 1, 2, 3 и т.д. - радиальные зоны
Анализ исходных данных для решения поставленной задачи показывает, что для оценки степени неравномерности потока удобнее использовать параметр V (2), так как здесь возможно интегрирование в установленных зонах по длине рабочей лопатки. Последовательность решения данной задачи следующая:
а) определяются параметры потока воздуха по высоте рабочих и направляющих лопаток вентиляторной ступени на взлётном и номинальном режимах работы двигателя (поверочный газодинамический расчёт);
б) находятся упрощенные характеристики вентиляторной ступени в форме
Нст, Лст = I (са);
в) рассчитываются потери в периферийных сечениях рабочих и направляющих лопаток. Осуществляется оценка степени неравномерности потока на входе в лопаточный венец.
г) уточняются характеристики вентиляторной ступени и запас её устойчивости.
Рис. 6. Распределение повреждений по длине рабочих лопаток первой ступени компрессора высокого давления ТРДД ПС-90А: 1 - входная кромка; 2 - выходная кромка
Глуб
(см)
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
6 С2 С8 24 30 36 42 48 54 60Нлоп
-(см)
№ зоны
С 23456789 С0
Рис. 7. Распределение глубины забоин на лопатках вентиляторной ступени КНД ТРДД ПС-90А
В результате обработки статистики видно, что наибольшее количество повреждений имеет место на периферии лопаток, отсюда следует, что неравномерность потока в упомянутой зоне становится весьма существенной и может возрасти на нерасчётных режимах работы двигателя. Это обстоятельство является одной из основных причин снижения эффективности вентиляторных ступеней, работающих на значительных окружных скоростях и технико-экономических показателей двигателя в целом.
Таким образом, при создании новых вентиляторов представляется целесообразным изменить представление о периферийной зоне рабочих и направляющих лопаток (осуществить «просветы» между входной и выходной кромками лопаток (уменьшить густоту в этой зоне); использовать скругления входных кромок (удары посторонних предметов будут происходить по касательным траекториям); уточнить нормы на зачистку забоин лопаток в этой зоне и др.)
ЛИТЕРАТУРА
1. Алексеев Л.П., Казанджан П.К., Нечаев Ю.Н., Федоров Р.М. Теория двигателей. Часть I. Теория лопаточных машин; Под ред. Т.М. Мелькумова. - М.: Типография ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1967.
2. Холщевников К.В., Емин О.Н., Митрохин В.Т. Теория и расчёт авиационных лопаточных машин. Учебник для студентов вузов по специальности «Авиационные двигатели». 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1986.
TO DEVELOPMENT OF A METHOD ESTIMATION OF INFLUENCE OF DAMAGES BLADES ON CHARACTERISTICS FAN STAGE BYPASS TURBOJET ENGINE PS-90А
Shulekin V.T., Lazarev E.A.
Various kinds distortion airflow intake blade row of compressor stage turbo-jet engines are considered. The results analysis statistical information about damages blades of compressors bypass gas turbine engine PS-90A is given. The approximate method of an estimation of influence of blade’s damages on characteristics fan stage bypass gas turbine engine PS-90A is recommended.
Сведения об авторах
Шулекин Виктор Тимофеевич, 1938г.р., окончил МАМИ (1967), кандидат технических наук, доцент кафедры двигателей летательных аппаратов МГТУ ГА, автор более 60 научных работ, область научных интересов - рабочий процесс и эксплуатационные характеристики авиационных двигателей; вспомогательные силовые установки воздушных судов гражданской авиации.
Лазарев Евгений Александрович, 1981г.р., окончил МГТУ ГА (2005), аспирант кафедры двигателей летательных аппаратов МГТУ ГА, область научных интересов - теория и практика эксплуатации авиационных двигателей.
