книги / Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Т. 2 Компрессоры. Камеры сгорания. Форсажные камеры. Турбины. Выходные устройства

Глава S. Турбины ГТД

дух располагает более высоким потенциалом по давлению и, соответственно, по уровню теплоот­ дачи в каналах охлаждения);

- усовершенствование аппарата закрутки с целью снижения температуры охлаждающего воздуха для ротора;

-уменьшение непроизводительных утечек

ипотерь давления охлаждающего воздуха в ком­ муникациях системы охлаждения для использо­ вания дополнительного потенциала по давлению

ирасходу непосредственно в лопатках;

иуменьшение окружной неравномерности за КС);

-уменьшение температуры газа перед тур­ биной за счет комплекса мероприятий по двига­ телю, включая увеличение расхода воздуха через газогенератор;

-улучшенное управление эксплуатацией

двигателя.

Местное увеличение расхода охлаждающего воздуха (в основном, за счет дополнительных от­ верстий пленочного охлаждения) является обыч­ ным на стадии доводки или первых этапах экс­ плуатации, когда необходимо откорректировать систему охлаждения лопатки по результатам ре­ альных испытаний.

Применение монокристаллических материа­ лов для лопаток ТВД гражданских двигателей ста­ ло уже общим правилом со второй половины 1980-х гг., когда монокристаллические рабочие лопатки были впервые применены Pratt& Whitney в ТВД PW2000 (сертифицирован в 1983 г.) и PW4000 (сертифицирован в 1987 г.). Монокри­ сталлические сопловые лопатки были впервые применены GE Aircraft Engines в ТВД CFM56-5A (сертифицирован в 1988 г.) и позволили сущест­ венно повысить долговечность лопаток по сравне­ нию с CFM56-3C1. В начале 1990-х Pratt&Whitney начала внедрение монокристаллических материа­ лов так называемого второго поколения, в том числе для повышения долговечности лопаток су­ ществующих двигателей.

При решении проблем с долговечностью ло­ паток ТВД PW4000 [8.10.1] было использовано сразу несколько подходов из перечисленного вы­ ше списка.

Для решения проблем с прогаром спинки 1СА ТВД PW4000-112” был добавлен расход воздуха на спинку лопатки.

Рабочие лопатки ТВД PW4000 моделей 94”/100” у большинства операторов нарабатыва­ ют по 2500.. .3000 циклов между ремонтами. Од­ нако у операторов, работающих преимуществен­ но в условиях жаркого климата и высокой запы­ ленности воздуха, рабочие лопатки первой

ступени выходили из строя ранее этого срока. Для решения этих проблем была разработана но­ вая лопатка «с увеличенным расходом», появив­ шаяся в эксплуатации с 1997 г. Рабочие лопатки второй ступени ТВД подвержены коррозии

итрещинам. Для исключения дефектов была вне­ дрена новая лопатка из монокристаллического материала с улучшенными свойствами. Кроме того, для общего снижения теплонапряженности ТВД PW4000 был внедрен пакет мероприятий («Phase 3») по снижению температуры перед тур­ биной (снижение температуры за турбиной со­ ставило около 15 °С).

В1994 г. Pratt&Whitney сертифицировала па­ кет мероприятий по увеличению долговечности лопаток ТВД PW2000 [8.10.4]. Модифицирован­ ная модель двигателя была названа PW2000-RTC (Reduced Temperature Configuration - Конфигура­ ция уменьшенной температуры), и в ней был реа­ лизован целый ряд мероприятий:

-уменьшение температуры газа перед тур­ биной на 44 °С за счет перепроектирования КНД

иувеличения расхода воздуха через газогенера­ тор (уменьшение температуры металла 1РЛ - 25 °С);

-увеличение расхода охлаждающего возду­ ха для 1РЛ (уменьшение температуры металла 1РЛ -28 °С);

-внедрение новой петлевой схемы охлажде­ ния 1РЛ (см. рис. 8.98 - уменьшение температу­ ры металла 1РЛ на 46 °С) и 2РЛ;

-применение монокристаллического мате­ риала 2-го поколения для 1РЛ и 2РЛ (увеличива­ ет стойкость материала к высокой температуре

исохраняет его свойства при увеличении темпе­ ратуры на 27 °С);

-применение теплозащитного покрытия на 1CА, 1РЛ и 2СА (уменьшение температуры ме­

талла 1РЛ -28 °С).

Таким образом, применение вышеперечис­ ленных мероприятий снизило температуру ме­ талла лопатки на 127 °С. Одновременно допусти­ мая температура материала увеличена на 27 °С, что в сумме увеличило запас по превышению до­ пустимого уровня температуры лопатки над дей­ ствительным уровнем на 154 °С.

Очевидно, что такой комплексный подход да­ ет наибольший эффект. По свидетельству изда­ ваемого Pratt&Whitney журнала Customer Service [8.10.5], межремонтная наработка турбины и двигателей в целом после внедрения этого па­ кета в авиакомпании Delta Airlines возросла с 5000 часов более чем в два раза и имеет пер­ спективы дальнейшего увеличения.

Окружная неравномерность температуры за КС тоже может стать причиной прогара рабочей

В производстве применяются следующие мето­ ды обеспечения усталостной прочности лопаток:

-повышение усталостной прочности «елоч­ ного» замка лопаток путем обработки (упрочне­ ния) его микрошариками;

-контроль частоты собственных колебаний бесполочных лопаток;

-контроль усталостной прочности лопаток при их изготовлении.

Однако надежность аналитических методов еще не настолько высока, чтобы полностью ис­ ключить возможность возникновения резонанса или обеспечить безопасный уровень вибронапря­ жений. Поэтому при доводке турбины проводит­ ся тензометрирование (измерение вибрационных напряжений на лопатках) на основе предвари­ тельного расчетного анализа наиболее опасных мест. В случае обнаружения недопустимо высо­ кого уровня напряжений или необходимости снизить риск их увеличения проводится выбор наиболее надежных, приемлемых по себестоимо­ сти и срокам реализации мероприятий для борь­ бы с потенциальным дефектом.

Уменьшение резонансных напряжений без до­ рогостоящего и длительного перепроектирования рабочей лопатки возможно за счет увеличения уровня демпфирования или за счет уменьшения уровня возбуждающих сил. Такая ситуация, воз­ никшая при доводке одноступенчатой ТВД на Pratt&Whitney, рассмотрена в [8.10.8]. Были про­ анализированы две возможности уменьшения уровня нестационарного давления на рабочих ло­ патках - несимметричное размещение лопаток СА по окружности и перепроектирование спинки СА для уменьшения колебания (стационарного) стати­ ческого давления в осевом зазоре между СА и РК.

Каждый из двух методов показал возмож­ ность снижения резонансных напряжений при­ мерно в два раза, но перепроектирование спинки СА было сочтено во всех отношениях (себестои­ мость, новая оснастка, необходимость новых де­ талей) более приемлемым.

Несмотря на все принятые во время проекти­ рования и доводки меры, во время эксплуатации могут измениться частота и амплитуда возбуж­ дающих сил (например, за счет засорения форсу­ нок, прогара части лопаток) и собственная часто­ та колебаний лопаток (в случае потери натяга по бандажным полкам во время эксплуатации - из-за износа или перегрева лопатки, перекоса демпфера). В этом случае обычно и возникают поломки, последствия одной из которых показа­ ны на рис. 8.141.

Для предотвращения потери натяга при дли­ тельной эксплуатации используются следующие меры:

-нанесение на контактные поверхности по­ лок износостойких покрытий или напайка твер­ досплавных пластинок;

-оптимизация угла наклона контактной пло­ щадки бандажной полки лопатки;

-снижение рабочей температуры бандажных полок за счет охлаждения.

Применяется также контроль натяга по бан­ дажным полкам в эксплуатации.

8.10.3. Недостаточный циклический ресурс и поломки роторных деталей

Основной проблемой роторных деталей тур­ бины (диски, дефлекторы, валы) является обес­ печение циклического ресурса. Установление этого ресурса (по допустимому количеству цик­ лов) производится в зависимости от теплового и напряженного состояния детали.

Диск может быть сертифицирован на опреде­ ленный циклический ресурс как при вводе в экс­ плуатацию, так и постепенно по мере накопления наработки в эксплуатации. Аналитическая опти­ мизация конструкции по циклическому ресурсу с использованием метода конечных элементов обычно предшествует любым конструктивным изменениям и модификациям диска.

Практика эксплуатации показывает, что дос­ тижимый циклический ресурс детали зависит от уровня теплонапряженности турбины в эксплуа­ тации. Например, для переднего дефлектора ТВД CFM56-3 в зависимости от температуры газа пе-

Рис. 8.142. Рабочие колесавторой ступени ТВД двигателя Д-30: а- с односторонним натягом поободу; б- с двухсторонним натягом поободу: 1- диск; 2- дефлектор; 3- натяг; 4 - зазор

двигателестроения, свидетельствует о том, что ос­ новным путем исключения потенциальных де­ фектов является увеличенный объем испытаний. По заявлению президента «Двигательного альян­ са GE - Pratt&Whitney» (созданного для разработ­ ки двигателя GP7200), «альянс планирует за счет экстенсивных испытаний выявить все потенци­ альные проблемы» до сертификации [8.10.10].

GE Aircraft Engines установила три основных направления работ в целях повышения надежно­ сти, сокращения риска и стоимости разработки новых конструкций.

Первым направлением является эксперимен­ тальная отработка каждой новой технологии (конструкции) на стадии исследовательских раз­ работок - еще до начала разработки новой конст­ рукции двигателя и турбины. Каждая новая тех­ нология должна «созреть», то есть наработать достаточное количество времени на эксперимен­ тальных установках и в натурных условиях на двигателях-демонстраторах как на стендах, так и в эксплуатации. По мнению руководства GE, «необходимо быть уверенным в технологии еще до начала каких-либо конструкторских работ»

[8.10.11].

Вторым направлением является увеличение циклической наработки на двигателях до ввода в эксплуатацию. С 1998 г. установлено, что дви­ гатели новой модели должны наработать до вво­ да в эксплуатацию не менее 14000... 15000 цик­ лов (примерно в два раза больше, чем двигатель­ ных программах, реализованных ранее) [8.10.12]. На GP7200 к моменту ввода в эксплуатацию пла­ нируется достигнуть не менее 20 000 циклов, причем с особым упором на наработку в наибо­ лее тяжелых по температуре условиях [8.10.13].

Третьим направлением является продолжение длительных испытаний нескольких экземпляров двигателя для опережающего выявления дефектов с наработкой до 10000 циклов и более. Например, в программе GE90-115B был выделен специаль­ ный двигатель для испытания турбины, который должен в течение трех лет наработать 10500 цик­ лов [8.10.14]. Эта жесткая проверка уже сертифи­ цированного двигателя должна обеспечить выяв­ ление всех возможных дефектов задолго до их возможного проявления в эксплуатации.

Контрольные вопросы

1. Назовите общие особенности конструкции турбин двигателей наземного применения по сравнению с авиационными.

2. Поясните основные причины прогаров ло­ паток турбин и назовите основные направления по исключению таких дефектов.

3.В каких случаях в лопатках турбин могут возникать трещины термоусталости, и какие ме­ роприятия применяются для их исключения?

4.В каких случаях в лопатках турбин могут воз­ никать трещины многоцикловой усталости, и какие мероприятия применяются для их исключения?

5.Поясните основные направления повышения циклического ресурса деталей ротора турбины.

Список литературы

8.10.1.PW4000 engine focus. Aircraft Technology Engi­ neering & Maintenance. August/September 2002.

8.10.2.The CFM56 in service. Aircraft Technology Engi­ neering & Maintenance. June/July 2001.

8.10.3.«25 years later, the CF6 is still rising to meet new challenges». SKYlines, Paris Air Show 1997 Special Edition. GE Commercial Aircraft Engines. 1997.

8.10.4.United Technologies/Pratt&Whitney: PW2000. The New Standard in Turbine Durability. USA, 1994.

8.10.5.Delta Achieves Lower Maintenance costs with MMP. Customer Service Quarterly, 1/1999, Pratt & Whitney.

8.10.6.Sharma O.P., Stetson G.M. Impact of Combustor Gen­ erated Temperature Distortions on the Performance, durability and Structural Integrity of Turbines. Blade Row Interference Effects in Axial Turbomachinery Stages. Von Karman Institute for Fluid Dy­ namics. Lecture Series 1998-02, 1998.

8.10.7.Driscoll M., McFetridge E., Arseneau W. Evaluation of at Sea Tested LM2500 Rainbow Rotor Blade Coatings. GT-2002-30263. Proceedings o f ASME Turbo Expo 2002.

8.10.8. Clark J.P., Aggrawala A.S., Velonis M.A., Gacek R.E., Magge S.S., Price F.R. Using CFD to Reduce Reso­ nant Stresses on a Single-Stage, High-Pressure Turbine Blade. GT-2002-30320. Proceedings of ASME Turbo Expo 2002.

8.10.9.Advanced gas turbine teething troubles were no great shakes. Modem Power Systems, September 1996.

8.10.10.GP7200’s to Be ‘Mature’ on Service Entry. Avia­ tion Week Show News, Famborough 2004, July 19,2004.

8.10.11.Flight International. October29-November4,2002.

8.10.12.General Electric Aims At 18-Month Engine. Avia­ tion Week & Space Technology. October 21, 2002.

8.10.13.GP7200 - power for the A380. Aircraft Technology Engineering & Maintenance - Paris 2003 Special.

8.10.14.Zero in-flight events. Engine Yearbook 2004. Avia­

tion Industry Press, 2004.

8.11. Перспективы развития конструкций и методов проектирования турбин

Основные направления развития конструкций турбин связаны с прогрессом в ряде наиболее перспективных (по соотношению стоимости и эффективности) технологий, которые должны обеспечить разработку конкурентоспособных турбин в будущем (рис. 8.144).