Предельное состояние осевого компрессора ГТД в условиях эксплуатации в запыленной атмосфере тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат технических наук Гумеров, Александр Витальевич

• Гумеров, Александр Витальевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гумеров, Александр Витальевич

Введение

Глава 1. Эрозионный износ деталей проточной части ГТД при эксплуатации в запылённой атмосфере. Состояние проблемы

Глава 2. Базовые положения для описания картины состояния компрессора при эрозионном износе.

2.1 Изменение газодинамических параметров компрессора, ступени компрессора или отдельного профиля вследствие воздействия ^ эрозии

2.2 Исследование физической картины (явления) износа лопатки компрессора под воздействием пылевой эрозии

2.2.1 Механизм износа лопаток компрессора при работе на запыленном воздухе

2.2.2 Структура пыли

2.2.3 Влияние скорости соударений в модели эрозионного износа

2.2.4 Эрозионный износ в зависимости от уровня воздействия

2.2.5 Влияние размера частиц пыли 3^

Влияние изменения качества поверхности профиля

2.3 Математическое моделирование и численные исследования удара частиц пыли о преграду из твёрдого сплава.

2.4 Модель эрозионного износа

2.5 Способы защиты деталей проточной части от эрозионного износа

2.5.1 Ионная имплантация

Глава 3. Объект исследования

3.1 Конвертирование авиационных ГТД в наземные энергетические установки

3.2 Назначение и конструкция генератора сжатого воздуха ^

3.3 Основные параметры и характеристики ГСВ.

3.4 Общие сведения о работе ГСВ при очистке трубопровода в ^ условиях запылённой атмосферы

3.5 Анализ изменений параметров ГСВ при длительной работе в запыленной атмосфере.

Глава 4. Геометрическая картина износа

4.1 Компьютерные лазерные оптоэлектронные системы измерений геометрии изделий сложной формы «ОПТЭЛ»

4.2 Результаты измерения профиля пера изношенной лопатки компрессора

4.3 Сравнение твердотельных моделей новой и изношенной лопаток ^

4.4 Изменение частоты собственных колебаний лопаток 59 Построение расчётной сетки и задание граничных условий.

4.4.2 Результаты расчёта частот собственных колебаний 7\

Глава 5. Газодинамическая картина износа

5.1 Газодинамический проект компрессора

5.2 З-Б моделирование течения в компрессоре

5.2.1 Математические модели

5.2.2 Течение в новом компрессоре

5.2.3 Течение в изношенном компрессоре

5.3 З-Б моделирование двухфазных потоков ^

5.3.1 Математический аппарат АКБУБ-СРХ для мультифазных течении

5.3.2 Постановка задачи Ю

5.3.3 Построение расчётной сетки и задание граничных условий

5.3.4 Результаты моделирования двухфазного потока в ПК АКБУБ СРХ

5.3.4.1 Влияние фракционного состава и формы пылевых частиц на траекторию и скорость движения

5.4 Анализ влияния эрозионного износа на запасы газодинамической устойчивости компрессора.

5.5 Применение результатов исследования для нормирования параметров вертолетного двигателя при СПИ

5.6 Модель эрозионного износа лопаток компрессора

5.6.1 Эрозионные испытания лопаток с покрытием ^

5.6.2 Перспектива создания аналитической модели эрозионного износа лопаток компрессора Основные выводы и результаты

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Предельное состояние осевого компрессора ГТД в условиях эксплуатации в запыленной атмосфере»

Газотурбинные двигатели являются основным типом двигателей в гражданской и военной авиации, используются как маршевые и форсажные энергоустановки в судостроении, энергетике, газовой промышленности. Важнейшее требование к двигателям - высокая эксплуатационная надёжность. [56]

Диссертация посвящена описанию картины предельного эрозионного износа деталей проточной части компрессора и явлениям, происходящим в процессе эксплуатации газотурбинного двигателя в сильно запыленной атмосфере. Оценка текущего технического состояния авиационного ГТД в процессе эксплуатации и его предельных возможностей соответствует современным требованиям, предъявляемым к газотурбинным двигателям с целью повышения ресурса и поддержания высокого уровня эксплуатационной надёжности.

Прогнозирование текущих и критических (предотказных) состояний газотурбинных двигателей при эксплуатации в условиях запылённой атмосферы, позволяет своевременно проводить мероприятия по техническому обслуживанию двигателя и системы очистки воздуха на входе. Понимание процессов газоабразивной эрозии элементов проточной части даёт возможность разрабатывать адекватные и достаточные методы и способы защиты деталей двигателя от эрозии (эрозионностойкие покрытия, пылезащитные устройства и Т.д.)

Актуальность темы диссертационной работы обусловлена потребностью существенного, на порядки, увеличения ресурса конвертированных энергетических установок, включая наиболее полное использование потенциальных возможностей базовых авиационных двигателей. С другой стороны, в процессе реконверсии могут быть использованы решения, полученные на конвертированных двигателях путем исследований на них недопустимых и недоступных в авиации режимов и условий. Для малоразмерных ГТД вертолетного и танкового применения остро стоит вопрос пылевой эрозии, поэтому, например, выполняется разработка программы специальных стендовых пылевых испытаний вертолётных двигателей ФГУП «ЦИАМ имени П.И. Баранова»

Цель работы.

Описание и анализ фактической картины, оценка предельного эрозионного износа лопаток компрессора, характеризующегося такими показателями как:

- геометрические размеры;

- термо-газодинамические параметры;

- параметры динамического нагружения (собственные частоты колебаний и деформации).

Исходя из цели работы, для её реализации решались следующие задачи:

1. Исследование динамики изменения параметров рабочего процесса газотурбинного двигателя в процессе интенсивного эрозионного износа элементов проточной части с целью обеспечения контроля его состояния вплоть до критического. Обоснование качественных и количественных критериев допустимого снижения газодинамических характеристик изношенного компрессора при эксплуатации в условиях запылённой атмосферы.

2. Определение геометрических параметров проточной части компрессора, подвергшегося предельному эрозионному износу.

3. Исследование влияния различных факторов на эрозионный износ лопаток компрессора для разработки методики теоретического и экспериментального исследования с целью решения задач повышения их эрозионной стойкости. Экспериментальное исследование эрозионной стойкости лопаток компрессора.

Объект исследования

Генератор сжатого воздуха ГСВ-95 предназначенный для эксплуатации в составе передвижной компрессорной установки ПКУ-30/0,8 , используемой для продувки, очистки и осушки магистральных газо-нефтепроводов, а также для вытеснения воды из магистральных трубопроводов после гидроиспытаний. Генератор сжатого воздуха разработан на базе конвертированного серийного двухвального двигатель из семейства авиационных двигателей типа Р13-300.

Методы исследования и аппаратура.

Полученные автором результаты основываются на расчётно-экспериментальных методах. Исследование проводилось на базе:

- реальных данных эксплуатации конкретного ГТД в условиях, характеризующихся высокой степенью запылённости атмосферного воздуха;

- результатов приёмо - сдаточных испытаний;

- результатов разборки и дефектации двигателя после выработки ресурса;

- оптико- электронных измерений геометрии лопаток компрессора; трёхмерного моделирования конструкции многоступенчатого компрессора;

- термогазодинамического моделирования рабочего процесса двигателя;

- моделирования течения двухфазных сред;

- экспериментального исследования эрозионно-стойких покрытий лопаток компрессора.

В процессе исследования также использованы результаты испытаний вертолетных и танковых ГТД, теория воздушно-реактивных двигателей, методы испытаний двигателей, а также технические условия, программы испытаний и исследований авиационных газотурбинных двигателей.

Научная новизна

1. Для ГТД наземного применения впервые выявлены количественные закономерности распределения величин предельного эрозионного износа компрессора на основе сравнительного анализа созданных 3-х мерных твердотельных моделей новых и изношенных лопаток. Полученные результаты являются основой для создания уточненных моделей эрозионного износа лопаток.

2. Выявлены закономерности изменения параметров газотурбинного двигателя в процессе работы в запыленной атмосфере, приведшие его к помпажу. Определены критерии предельно допустимого состояния ГТД в эксплуатации.

3. Разработана методология исследования закономерностей изменения концентрации пылевых частиц двухфазной среды, что позволяет воспроизвести реальные условия эксплуатации и формировать модели эрозионного износа лопаток компрессора.

4. Обоснована методика и проведены экспериментальные исследования эрозионного износа лопаток компрессора с учётом реальных эксплуатационных факторов.

Основные результаты исследования, выносимые на защиту

1. Выявленные количественные закономерности распределения величин эрозионного износа рабочих лопаток компрессора на основе сопоставления созданных 3-х мерных твердотельных моделей новых и изношенных лопаток Полученные данные служат основой создания моделей эрозионного износа лопаток турбомашин.

2. Выявленные закономерности изменения параметров ГТД при работе в запыленной атмосфере, приведшей к помпажу, позволяющие уточнить критерии оценки их технического состояния.

3. Разработанные методы анализа и закономерности изменения концентрации пылевых частиц для 2-х фазных сред (воздух-пыль), позволившие воспроизвести реальные условия эксплуатации.

4. Результаты исследования эрозионного износа лопаток компрессора из титановых и стальных сплавов с использованием реальных эксплуатационных условий и полученных методических подходов.

5. Результаты исследования по изменению в процессе эрозии частот собственных колебаний лопаток, как критерия по оценке технического состояния двигателя в эксплуатации.

Обоснованность и достоверность результатов исследования

Достоверность результатов работы обеспечивается:

- верификацией результатов выполненных анализов на основе данных испытаний установки;

- использованием современных гибких программных комплексов и созданием на их основе математических моделей рабочих процессов двигателей, моделей течения двухфазных сред, прямого трёхмерного (Навье- Стокса) расчёта течения в компрессоре в исходном и изношенном состояниях;

- использованием современной высокоточной системы измерения профилей лопаток, привязанных к конструкторским базам

Практическая значимость и реализация результатов работы Проведённые исследования позволили воспроизвести реальную картину явления - эрозионного износа элементов турбомашин, как научно-методической основы повышения надежности ГТД в реальных условиях эксплуатации

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях:

- «Интеллектуальные системы управления и обработки информации» Всероссийская Молодежная НТК. Уфа УГАТУ 2003;

- Всероссийской научно-технической конференции. - Пермь: ПГТУ, 2006;

- IV РНТК молодых специалистов, инженеров и техников, посвященной годовщине образования ОАО "УМПО", Уфа, УМПО, 2009 г.

- Результаты отдельных этапов и работы в целом обсуждались на НТС кафедры «Авиационные двигатели» УГАТУ.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 1 статья в издании из списка ВАК.

Заключение диссертации по теме «Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов», Гумеров, Александр Витальевич

Основные выводы и результаты.

1 На конвертированном авиационном ГТД в условиях недоступных и недопустимых при эксплуатации на летательном аппарате, получен в состоянии предельного эрозионного износа режим, характеризующийся потерей газодинамической устойчивости на стационарном режиме. Газодинамическим признаком явления служит увеличение частоты вращения ротора высокого давления двухвального ГТД на -7%.

Путем моделирования режимов ГСВ с использованием ПК БУЮ выполнен анализ процесса изменения параметров при эрозионном износе компрессора. Установлены величины снижения КПД и производительности компрессора при которых потеря ГДУ становится реальной в обоих каскадах компрессора.

Для двигателя типа вертолетного ТВаД предельному состоянию сопутствует при сохранении Тг снижение мощности до 2 раз, а эффективного КПД на треть (с 28% до 18%). Для сравнения в нормативах СПИ допускается снижение мощности на 10% а ухудшение экономичности на 15%.

2 С использованием современных оптико-электронных средств измерения получены геометрические размеры лопаток компрессора двухвального ГТД достигшего предельного состояния. Размеры получены с привязкой к единой конструкторской технологической базе, что позволяет сравнивать все геометрические размеры новой и изношенной лопатки в любой точке профиля. С использованием ПК Компас созданы адекватные реальным твердотельные модели новых и изношенных эрозией лопаток компрессора. Трёхмерные твердотельные модели являются основой для создания расчётных областей 3-х мерных газодинамических моделей компрессора.

3 На основе универсальной математической модели течения двухфазного потока в упрощенной модели канала компрессора исследованы факторы, определяющие сепарацию пыли:

- по размерам частиц от 5 до 20 мкм;

- по форме пылевых частиц.

С использованием фундаментальных закономерностей эрозионного износа (влияние скорости, углов набегания частиц, влияния материалов, физико-химических свойств и концентрации пыли) разработаны методики экспериментальных исследований с целью решения задач повышения эрозионной стойкости.

Выполнены экспериментальные исследования эрозионной устойчивости лопаток компрессора с различными видами покрытий с использованием методических положений проведенной исследовательской работы.

Основным инструментом решения поставленных задач послужили созданные в системе А^УБ-СИХ газодинамические модели 5-и ступенчатого нового и изношенного компрессора высокого давления.

Созданы предпосылки для моделирования течения многофазных сред в реальном канале с целью расчета эрозионного износа в автоматизированном режиме (модель Табакова-Гранта в СБХ) или ручном режиме по другим изученным моделям с уточнением их констант.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гумеров, Александр Витальевич, 2011 год

1. Абрамович Г.И. Теория турбулентных струй. Гос. издательство физ.-мат. лит., М., 1960

2. Акмалетдинов Р. Г «Решение экологических проблем при при конвертированииовании авиационных ГТД в наземные энергетическиеческие установки» Диссертация на соискание ученой степени кандидатадидата технических наук. Уфа 2004 168 с.

3. Акмалетдинов Р.Г., Гумеров Х.С. Решение технических и экологических проблем с применением конвертированных авиационных ГТД //Вопросы теории и расчета рабочих процессов тепловых двигателей: Межвузовский научный сборник. Уфа. УГАТУ, 2004. с. 147-151

4. Акмалетдинов Р.Г., Гумеров A.B. Работа генератора сжатого воздуха в сети магистрального газопровода Материалы IX Всероссийской научно-технической конференции. Пермь: ПГТУ, 2006. - С. 16.

5. Акмалетдинов Р.Г., Гумеров А. В. Газодинамические факторы эрозионного износа лопаток компрессора ГТД (эксперимент и анализ). Мавлютовские чтения: Всероссийская молодёжная научная конференция: сб. тр. в 5 т. Том 1/- Уфа: УГАТУ, 2008. с. 72

6. Ахмедзянов Д.А., Горюнов И.М., Кривошеев И.А., Гумеров Х.С., Кожинов Д.Г., Иванова С.Н. Термогазодинамический анализ рабочих процессов ГТД в компьютерной среде DVIGW: Учебное пособие / Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. Уфа, - 2003. - 162 с.

7. Балтренас П. Б. Обеспыливание воздуха на предприятиях стройматериалов. -М.: Стройиздат, 1990. 184 с.

8. Басов К.А. «ANSYS в примерах и задачах»/ Под общ. редю Д.Г. Красковсого. М.: КомпьютерПресс, 2002. - 224с.: ил.

9. Высотно-скоростные характеристики двигателя Р13-300 (Термодинамический расчет). 95Рс-365. п/я А-3803, 197 с.

10. Галиуллин Рав. М., Галиуллин Риш. М., Бакиров Ж.М. и др. «Компьютерные лазерно-электронные комплексы измерения геометрии изделий сложной формы «ОПТЭЛ». Журнал «Авиационная техника. Известия вузов», №1, 1997 г., с. 100-106.

11. Григорьев В. А., Пономарев Б. А. «Вертолетные газотурбинные двигатели». М.: Машиностроение. 2007.

12. Григорьев М.А., Коган Б.М. О разрушении абразивных частиц загрязнения масла в двигателе. Автомобильная промышеленность. -1979. -№5.-с. 2-4.

13. ГУЛ "Завод им. В.Я.Климова" Петр Изотов главный конструктор Данила Изотов менеджер по рекламе Журнал "Двигатель"

14. ГТК-10-4: Инструкция по эксплуатации ГТК-10-4(глава 12)

15. ГОСТ 29328-92 «Установки газотурбинные для привода турбогенераторов». Общие технические условия.

16. Гумеров Х.С., Абдуллин Б.Р., Алаторцев В.П., Гумеров A.B. Относительное изменение термогазодинамических параметров проточной части ТРДДФСМ после ремонта по выработке ресурса. Вестник УГАТУ Уфа 2009 Т.12 №2(31).- с. 43-50

17. Гумеров A.B. Анализ изменения геометрии лопатки компрессора при эрозионном износе с применением трехмерной модели Интеллектуальные системы управления и обработки информации: материалы Всерос. Молодежи. НТК. Уфа: изд. УГАТУ. 2003. С. 79.

18. Гумеров А. В., Хайдуков И.С Защита авиационных ГТД от попадания посторонних предметов. Мавлютовские чтения: Всероссийская молодёжная научная конференция: сб. тр. в 5 т. Том 1/ Уфа: УГАТУ, 2008. - с. 47

19. Гумеров А. В., Гишваров А. С., Хайдуков И. С.Оценка эрозионной повреждаемости рабочих лопаток вентилятора двигателя ПС-90А Научный сборник Проблемы проектирования, производства и испытаний авиационных двигателей. Уфа: УГАТУ, 2008.-С. 195

20. Гумеров А. В Эрозионный износ лопаток компрессора. Изменение частоты собственных колебаний. Сборник трудов четвёртой всероссийской зимней школы-семинара аспирантов и молодых учёных.-Уфа: изд. «Диалог».2009.-с. 118

21. Дейч М.Е., Филиппов Г.А. Газодинамика двухфазных сред. М.: Энергоиздат, 1981. 306 с.

22. Доброхотов А.Н. и др. Теория и практика наземного применения авиационных двигателей. Рига 1972.

23. Жуков Л. Ю. Первышин А. Н., Ткаченко А. Ю. «К вопросу о скорости движения твердой частицы в газовом потоке» СГАУ г. Самара.: Вестник СГАУ, 2003, с. 230-234

24. Золотарь А. И. «Износ в скоростном потоке твердых частиц» В кн.: Исследование и расчёт гидромашин М.: Энергия, 1978, с 9-19

25. Золотарь А. И. «Износ материала скоростным потоком твердых частиц» (усталостная выносливость). В кн.: Исследование, расчёт и конструирование гидромашин. М.: Энергия, 1979, с. 14-20

26. Золотарь А. И., Шейвехман А. О. «Износ металлов потоком твердых частиц разной крупности» В кн.: Исследование и расчёт гидромашин М.: Энергия, 1978, с 27-31

27. Золотарь А. И., Шейвехман А. О. «К расчету эрозионного износа при экстремальных углах атаки»

28. Ивченко Д. В., Денисюк В. Н., Штанько П. К., математическое моделирование высокоскоростного удара твёрдой частицы по пластически деформируемому телу. Вестник двигателестроения 2004. -№4. - с. 80-84.

29. Изотов С.П., Шашкин В.В., Капралов В.М. и др.: Под общей ред. В.В Шашкина «Авиационные ГТД в наземных установках», Л.: Машиностроение, 1984. 228 с.

30. Качалов Л. М. Основы механики разрушения. М.: Наука, 1974. 312с.

31. Крагельский И. В. « Трение и износ». М.: Машиностроение. 1968. 480с.37