Повреждение лопаток компрессора посторонними предметами

Авторы: А.А. Комов, Г.Г. Белоусов
Источник: Научный вестник московского государственного технического университета гражданской авиации №134, 2008 г.

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

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 %

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.

Рисунок 1 — Схемы воздухозаборника и компрессора 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.

Максимальное значение горизонтальной скорости воздушного потока в приземном слое при работе внутреннего двигателя ПС-90А на взлетном режиме равно V_{г max} = 9.637 м/с.

Из результатов расчетов видно, что значение горизонтальной скорости воздушного потока в приземном слое V_{г max} значительно превосходит граничное значение для возможности зарождения и существование вихря на самолете Ил-96-300, равное V_{г max} = 1.5 м/с.

Рисунок 2 – Эпюра скоростей воздушного потока в приземном слое при работе двигателя ПС-90А на максимальном режиме работы

На рисунке 3 представлено поле скоростей воздушного потока вблизи воздухозаборника двигателя ПС-90А, из которого видно, что вблизи поверхности аэродрома присутствуют только горизонтальные составляющие воздушного потока, которые направлены с двух сторон к точке торможения.

Рисунок 3 – Поле скоростей воздушного потока у воздухозаборника двигателя ПС-90А

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

Посторонние предметы подбрасываются вихрем в самых различных направлениях. Поэтому в расчетных исследованиях защищенности двигателей углы начального движения посторонних предметов относительно поверхности аэродрома задавались в достаточно широком спектре - от α =1 до α =180°

В расчетах задавались следующие параметры посторонних предметов и параметры начального их движения:

• диаметр посторонних предметов — 0,020м;
• коэффициент несферичности постороннего предмета – 1,5. Коэффициент несферичности постороннего предмета равен отношению площади поверхности постороннего предмета к площади поверхности равновеликого по объему шара, диаметр которого принимается за характерный размер постороннего предмета [1]. Коэффициент несферичности для шара равен 1 и для тетраэдра – 1,5;
• плотность постороннего предмета — 2500 кг/м 3 ;
• начальная высота подброса постороннего предмета — H_подбр;
• начальный угол выброса постороннего предмета — 1°;
• шаг угла выброса постороннего предмета — 1°;
• диапазон углов выброса посторонних предметов — 1° – 180°.

Результаты расчетов траекторий движения посторонних предметов, подброшенных вихревым течением и попавших в поле воздушного потока, втекающего в двигатель, представлено на рисунке 4. Для графической наглядности результатов расчетов количество посторонних предметов, подброшенных вихревым течением, было ограничено и составляло 15 штук.

Из рисунка 4 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.

Рисунок 4 — Траектория движения посторонних предметов, подброшенных вихревым течением

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.

Рисунок 5 —Траектории посторонних предметов, забрасываемых вихревым течением в двигатель ПС-90А на взлётном режиме

Расчеты показывают, что при работе двигателя на взлетном режиме скорость движения посторонних предметов внутри канала воздухозаборника составляет величину порядка 20. 65 м/с. Окружная скорость периферийной части рабочих лопаток вентилятора на взлетном режиме двигателя равна величине порядка 400 м/с.

Из треугольника скоростей можно определить углы соударения посторонних предметов с лопатками вентилятора и вероятные зоны их повреждения (рис. 7). Угол соударения посторонних предметов с плоскостью вращения рабочих лопаток вентилятора на взлетном режиме двигателя составляет величину порядка 3. 9. Протяженность зоны повреждения по длине хорды лопаток составляет 5. 15%.

Рисунок 7 – Расчет зоны вероятного повреждения вентилятора посторонними предметами, забрасываемыми в двигатель ПС-90А вихревым течением

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 тече- нием, 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 (рис. 8). Рис. 9 характеризует повреждаемость рабочих лопаток по ступеням компрессора двигателя ПС-90А.

Рисунок 8 — Распределение повреждаемости двигателей ПС-90А по номеру силовой установки на самолетах Ил-96-300. На самолетах Ту–204 также чаще повреждается второй двигатель

Видно, что наибольшее количество повреждений приходится на вентилятор, далее следуют лопатки первой ступени КВД. Вероятность повреждения последующих лопаток КВД существенно ниже. При этом наиболее характерны для 1 ступени КВД отгибы уголков пера (до 50 мм по кромке от торца), вмятины. Для 2–13 ступеней – забоины, вмятины, мелкие отгибы уголков пера (до 3–5 мм). Как правило, повреждения наблюдаются в верхней трети пера лопаток на входных кромках. На выходных кромках повреждения сравнительно редки.

Рисунок 9 — Распределение повреждаемости рабочих лопаток по ступеням компрессора двигателя ПС–90А

Повреждаемость двигателя по времени года характеризует рисунком 10.

Рисунок 10 — Повреждаемость двигателя ПС-90А самолета Ил-96-300 в зависимости от времени года

Распределение повреждений по длине лопаток вентилятора и лопаток КВД 1 ступени даны на рис. 11, 12. Также зависимости характерны для лопаток всех типов и не выпадают из общих закономерностей.

Рисунок 11 — Распределение повреждений по длине лопатки вентилятора двигателя ПС–90А

Рисунок 12 — Распределение повреждений по длине лопатки 1 ступени КВД двигателя ПС–90А

ПП, попадающие в тракт двигателя, варьируются в широком диапазоне. Чаще всего, согласно статистике [7], по имеющемуся на лопатке повреждению ПП не может быть идентифицирован (48. 64% случаев).

Из определенных случаев выделяются следующие посторонние предметы: снег или лед, а также бетонная крошка с ВПП (от 5 до 15%). Вероятно, повреждения, наносимые ими, могут в какой-то степени быть идентифицированными.

После того как выявлено повреждение лопатки посторонним предметом его классифицируют по виду, измеряют геометрические параметры и фотографируют. По форме и виду повреждения можно разделить на пять основных групп приведенных в таблице 7.1.

Таблица 7.1 – Классификация попадания ПП

Возможная причина повреждения

Повреждение со сферическим дном (обачно на входной/выходной кромке)

Тело со сферическими поверхностями

Таблица 7.1 – Продолжение

Повреждение материала (обачно входной кромки) при котором имеется потеря материала

“Твердое тело” небольших размеров

Разделение материала лопатки путем разрыва

“Твердое тело” с высокой скоростью

Повреждение при котором происходит закрутка или обрыв уголка

“Мягкое тело” при отгибе. “Твердое тело” при обрывах

Деформация (всей или большей части пера) и отклонение от первоначальной формы

Повреждение у корня лопатки

Встречающаяся в публикациях разных лет эксплуатационная статистика по размерам и форме повреждений показывает схожие результаты. По данням [8] наиболее часто встречаются точечные забоины глубиной 1-3 мм 36,5. 53% от общего числа повреждений в зависимости от исследуемого двигателя.

Имеются также данные о распределении радиусов забоин. Диапазон радиусов, измеренных в результате анализа эксплуатационных повреждений, составил 0,4. 2,0 мм. Закон распределения - близкий к равномерному.

Рисунок 7.3 - Типичные формы повреждений:

А) эллептическая вмятина; б) эллептическая забоина; в) V-образная забоина

Статистические данные [4] по исследованию повреждений лопаток оптическими методами, показывают, что наибольший процент повреждений были получены при соударении ПП с входной кромкой лопатки под углами 30. 60° к хорде профиля (рисунок 7.4).

Рисунок 7.4 – Схема направления движения ПП по анализу эксплуатационных повреждений

Итак, анализ исследований эксплуатационной статистики по повреждениям лопаток компрессора посторонними предметами показывает, что наиболее типичными являются повреждения в виде вмятины, разрыва и забоиньг с глубиной до 2,5 мм на входной кромке лопатки. Наиболее часто встречающийся угол соударения - 30. 60° к хорде профиля.

Рисунок 7.5 - Основные виды повреждений лопаток компрессоров:

1- повреждение входной кромки в корневой части лопатки; 2- повреждение входной кромки лопатки; 3- повреждение входной кромки на периферии лопатки; 4- повреждение торца лопатки;

5- повреждение выходной кромки на периферии лопатки; 6- повреждение выходной кромки лопатки

Основные виды повреждений лопаток компрессоров при эксплуатации двигателей семейства Д-30 показаны на рисунке7.5. На рисунках 7.5 и 7.6 представлены распределение повреждений по длине лопатки вентилятора и первой ступени КВД двигателя ПС-90А соответственно.

Рисунок 7.6 - Распределение повреждений по длине лопатки вентилятора

Повреждение лопаток компрессора посторонними предметами, попадающими в газовоздушный тракт (ППП), – одна из наиболее распространенных (по данным [8] – до 30…40 %) причин выхода из строя авиационных двигателей. Повреждение лопатки может вызвать ее усталостную поломку вследствие концентрации напряжений, что, в свою очередь, может стать причиной выключения двигателя в полете. Несмотря на предпринимаемые меры защиты двигателей от попадания посторонних предметов, появление во время эксплуатации дефектов, вызванных ППП, является реальным фактором, влияющим на надежность.

а)
б)
в)

Рисунок 1. Типичные формы повреждений лопаток при ППП [8]: а - вмятина; б - разрыв; в – забоина

Поиск путей повышения надежности двигателей в связи с проблемой ППП распадается на несколько направлений: предотвращение попадания посторонних предметов в двигатель [8], анализ типичных повреждений лопаток [8], исследование процессов соударения лопаток с посторонними предметами [2, 9], анализ концентрации напряжений и снижения усталостной прочности лопаток [3–6,10].

Многолетняя эксплуатационная статистика, приведенная, в частности, в работе [8], показывает, что, несмотря на многообразие случайных факторов, определяющих ППП, повреждения обычно возникают на входной кромке, и их можно отнести к одной из трех групп: вмятины, забоины. Забоины чаще имеют глубину до 2,5 мм и форму, близкую к полуокружности (рисунок 1). Появление повреждений, которые являются концентраторами напряжений, снижает сопротивление лопаток разрушению вследствие многоцикловой усталости. Обеспечение прочностной надежности лопаток должно опираться на изучение их усталостной прочности с учетом возможного повреждения посторонними предметами.

Традиционная практика оценки усталостной прочности лопаток (см., например, [7]) состоит в проведении усталостных испытаний партии натурных лопаток, получении предела выносливости
,с которым сравнивается действующее в лопатке динамическое напряжение. Для оценки влияния эксплуатационных повреждений на усталостную прочность лопаток дополнительно проводятся усталостные испытания партии натурных лопаток с надрезами на входной кромке и получении предела выносливости
. Снижение усталостной прочности лопаток вследствие ППП оценивается эффективным коэффициентом концентрации Ks , представляющим собой отношение:

. (1)

Эффективный коэффициент концентрации Ks зависит как от размеров концентратора, так и от размеров лопатки, а также марки материала, термообработки, состояния поверхностного слоя, остаточных напряжений [3, 7]. Получаемые значения Ks корректны только для лопаток испытанного типоразмера лопаток и конкретного типа и размеров повреждения. Экспериментальное определение Ks для всего многообразия возможных повреждений лопаток посторонними предметами практически невозможно реализовать, так как это было бы связано со слишком большим объемом усталостных испытаний натурных лопаток. В соответствии с отраслевыми нормативными документами ограничиваются определением Ks для концентратора в виде острого надреза на входной кромке. Такой способ дает заниженную оценку предела выносливости лопаток при ППП [3, 7].

В работах [3, 9] предложена методика оценки эффективных коэффициентов концентрации напряжений в лопатках с повреждениями произвольной формы, основанная на проведении усталостных испытаний двух партий натурных лопаток: без концентратора и с концентратором-надрезом.

Цель настоящей работы состоит в разработке методики, которая позволяла бы оценить снижение усталостной прочности лопаток компрессора при ППП без проведения трудоемких усталостных испытаний натурных лопаток с концентраторами.

Основой разрабатываемой методики является известное представление эффективного коэффициента концентрации напряжений Ks в виде соотношения:

, (2)

где αs – теоретический коэффициент концентрации напряжений, q – коэффициент чувствительности к концентрации напряжений.

Теоретический коэффициент концентрации напряжений αs определяется только геометрическими параметрами: формой и размерами концентратора и лопатки. Его определение сводится к трехмерному анализу поля напряжений в лопатке с повреждениями. В работах [4, 5, 10] на основании расчетов, проведенных для широкого круга различных по форме и размерам лопаток компрессора с концентраторами различной формы и размеров, показано, что значения теоретического коэффициента концентрации напряжений зависят только от двух размеров концентратора: глубины h и радиуса в вершине ρ. Это объясняется локальным характером напряженного состояния в зоне концентрации напряжений. Для зависимости αs от размеров концентратора в работе [4] предложено простое приближенное соотношение:

. (3)

. (4)

Коэффициент чувствительности к концентрации напряжений q определяется по результатам испытаний образцов как:

, (5)

где
– теоретический коэффициент концентрации напряжений в образцах.

Рисунок 2. Образец с концентратором напряжений

Рисунок 3. Конечно-элементная сетка

Для определения
проводятся стандартные испытания на многоцикловую усталость при растяжении-сжатии образцов с концентраторами напряжений и без них. В соответствии с требованиями отечественных и зарубежных стандартов ГОСТ 25.502-85, РЦ-АП-33.15-1, ASTM E466, ASTM E606используются цилиндрические образцы с резьбовыми захватами (рисунок 2). Концентратор напряжений представляет собой кольцевую V-образную канавку глубиной h=(D-d)/2 с радиусом скругления ρ в вершине. Рассмотрены образцы с размерами: D=10 мм, d=5мм и тремя значениями ρ: 0,5мм, 0,25 мм и 0,15 мм.

Для определения теоретического коэффициента концентрации напряжений
проводили анализ напряженного состояния образцов при растяжении осевой силой P. Расчеты проводили в осесимметричной постановке методом конечных элементов.

На рисунке 3 показан пример конечно-элементной сетки. Сетка имеет сгущение в области концентратора напряжений. Характерный размер элементов в вершине концентратора напряжений составляет 1/20 радиуса ρ. Предварительные расчеты показали, что такая сетка обеспечивает погрешность расчета напряжений в пределах 0,5 %.

Получаемые напряжения удобно относить к условному напряжению σZ0, которое определяется как напряжение в стержне круглого сечения диаметром d в предположении равномерного растяжения осевой силой P:

Рисунок 4. Распределение напряжений sz в образце с ρ=0,5мм

Анализ полученных полей напряжений показал, что во всех исследованных случаях напряженное состояние в образце, в том числе и в области концентратора, близко к одноосному. На рисунке 4 показано в качестве примера распределение относительного напряжения sz/sz0в зоне концентрации для образца с радиусом ρ=0,5мм.

Теоретический коэффициент концентрации напряжений в образце ασs определялся как отношение наибольшего направленного вдоль оси образца нормального напряжения σZmax в вершине концентратора к напряжению sz0 :

Рисунок 5. Зависимость теоретического коэффициента концентрации напряжений в образце от радиуса в вершине надреза

. (7)

Для исследованных размеров образцов значения ασs в лежат в пределах 1,9 – 4,0. С уменьшением радиуса скругления в вершине концентратора ρ коэффициент концентрации напряжений ασs возрастает. Полученная зависимость теоретического коэффициента концентрации напряжений от радиуса ρ приведена на рисунке 5. Она с коэффициентом корреляции 0.9987 описывается соотношением:

. (8)

Используя рассчитанное значение теоретического коэффициента концентрации напряжений в образце ασs и определенное из испытаний значение эффективного коэффициента концентрации
можно по (5) определить коэффициент чувствительности к концентрации напряжений q и по (2), (3) оценить снижение придела выносливости лопаток с забоинами.

С помощью полученной зависимости ασs(ρ) можно оценить погрешность определения напряжений в концентраторе, обусловленных допуском на размер ρ концентратора. В частности, допуск ±0,01 мм на размер ρ =0,15 мм дает рассеяние коэффициента концентрации ασs в пределах ±5 % от значения, соответствующего номинальному размеру.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ (договор №02.G25.31.0016) в рамках реализации Постановления Правительства РФ №218 "О мерах государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства".

Рецензенты: